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Efeito da Recirculação dos Gases de Exaustão e Estagiamento de Ar nas Emissões de Gases e Partículas
de uma Caldeira Doméstica
Mafalda da Costa Bernardes Figueira Henriques
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Júri
Presidente: Professor Luís Rego da Cunha de Eça
Orientador: Professor Mário Manuel Gonçalves da Costa
Vogal: Doutor Abel Martins Rodrigues
Novembro de 2013
i
ii
Resumo
O presente estudo visa analisar o efeito de dois métodos distintos na redução da emissão de
gases e partículas resultantes da combustão da biomassa numa caldeira doméstica alimentada a
pellets. Os métodos estudados são a recirculação dos gases de exaustão (RGE) e o estagiamento
de ar, os quais foram examinados para duas cargas térmicas da caldeira. A aplicação de RGE
traduz-se em melhorias nas emissões de NOx, tendo, no entanto, um efeito pouco significativo nas
emissões de CO. A sua aplicação como estratégia de redução da emissão de partículas, em
especial, das de menor dimensão, apresenta um carácter promissor, mas requer estudos
adicionais. O estagiamento de ar mostrou ser um método muito eficaz na redução das emissões
de PM2,5. Neste caso, todavia, é necessário dar especial atenção às emissões de CO, as quais
podem aumentar face à situação em que não é aplicado qualquer estagiamento.
Palavras-chave: Biomassa, caldeira doméstica, poluentes, recirculação dos gases de exaustão
estagiamento de ar
iii
Abstract
The present study aims to evaluate the effect of two distinct methods in the reduction of the
emission of gases and particles from a domestic boiler fired with pellets. The methods studied are
flue gas recirculation and air staging. Both methods were examined for two boiler thermal loads.
The application of RGE led to improvements in NOx emissions, but its effect on the CO emissions
was marginal. This method, however, is promising as a strategy to reduce the emission of particles,
in particular, ultra fine particles. This requires, however, further investigation. The air staging
proved to be a very effective method to reduce PM2,5 emissions. In this case, however, it is
necessary to give special attention to the CO emissions, which may increase when air staging is
applied to the boiler.
Keywords: Biomass, domestic boiler, pollutants, flue gas recirculation, air staging
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao Professor Doutor Mário Costa, orientador deste estudo, por me ter possibilitado a
realização de uma investigação tão importante e ao mesmo tempo porque se insere na área de
estudo do meu interesse. O meu mais reconhecido agradecimento por todo o apoio e orientação, e
pela experiência que me providenciou ao longo de todas as fases do estudo.
Agradeço ao Ulisses Fernandes pela disponibilidade e ajuda que me forneceu durante todo o
trabalho, as quais foram imprescindíveis para a realização e compreensão do mesmo.
Agradeço ao Jorge Coelho pelo apoio que me prestou na resolução gráfica e de imagens, e ao
Manuel Pratas pela ajuda concedida durante a realização dos trabalhos experimentais.
Agradeço aos meus colegas de laboratório, Francisco Portela, Tiago Carvalho, Ricardo Maximino,
João Pires, João Pina, Bruno Bernardes, Wang Gogliang, António Silva, por toda a camaradagem
e bom ambiente que sempre me proporcionaram. Um agradecimento especial à Isabel Ferreiro,
pela sua amizade e encorajamento ao longo do curso.
Agradeço aos meus amigos, Tiago, Joana, Marta e Diogo, por todas as palavras de ânimo e
coragem que me deram durante o decorrer do curso.
Agradeço à minha família, em especial aos meus avós e à tia Aldinha, por terem sempre
acreditado em mim e pela ajuda prestada em todos os momentos.
Agradeço ao Nicola, por me aconselhar, escutar e dar apoio em dias menos bons.
Finalmente agradeço ilimitadamente aos meus pais e irmã, por todo o carinho e compreensão que
sempre me deram, em especial por sempre terem acreditado em mim e me terem dado força nos
momentos que me foram mais difíceis.
v
ÍNDICE
1. INTRODUÇÃO............................................................................................................................ 1
1.1. Enquadramento .................................................................................................................. 1
1.2. Estudos anteriores .............................................................................................................. 6
1.3. Objetivos ............................................................................................................................. 8
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS .................................................................................................... 9
2.1. Biomassa como combustível .............................................................................................. 9
2.2. Combustão da biomassa .................................................................................................. 14
2.3. Poluentes gasosos ........................................................................................................... 16
2.4. Partículas .......................................................................................................................... 18
2.4.1. Processos de formação de partículas e de cinzas ................................................... 19
2.4.2. Partículas resultantes da combustão incompleta ........................................................... 25
2.4.3. Outros fatores na emissão de partículas ........................................................................ 27
2.5. Recirculação dos gases de exaustão ............................................................................... 28
2.6. Estagiamento de ar .......................................................................................................... 29
3. INSTALAÇÃO EXPERIMENTAL .............................................................................................. 31
3.1. Caldeira doméstica ........................................................................................................... 31
3.2. Modificações realizadas na caldeira de combustão ......................................................... 34
3.3. Métodos experimentais .................................................................................................... 37
4. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ........................................................ 41
4.1. Características do combustível ........................................................................................ 41
4.2. Condições de operação da caldeira ................................................................................. 41
4.3. Efeito da recirculação dos gases de exaustão nas emissões gasosas e de partículas .. 43
4.4. Efeito do estagiamento de ar nas emissões gasosas e de partículas ............................. 46
5. FECHO ..................................................................................................................................... 50
5.1. Conclusões ....................................................................................................................... 50
5.2. Recomendações para trabalhos futuros .......................................................................... 51
REFERÊNCIAS ................................................................................................................................ 53
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Ciclo de carbono da combustão da biomassa. ................................................................... 4
Figura 2. Mecanismos de formação de partículas primárias durante a combustão da biomassa em
grelha fixa [36]. ................................................................................................................................. 21
Figura 3. Processo de formação de partículas a partir dos elementos presentes nas cinzas [16].. 22
Figura 4. Representação esquemática do processo de formação da fuligem [19]. ......................... 26
Figura 5. Representação esquemática da formação de fuligem na chama envolvente do resíduo
carbonoso durante a combustão do carvão [36]. ............................................................................. 26
Figura 6. Esquema simplificado do processo de RGE. .................................................................... 29
Figura 7. Esquema simplificado do processo de estagiamento de ar. ............................................ 30
Figura 8. Instalação Experimental. ................................................................................................... 31
Figura 9. Dimensões da caldeira. ..................................................................................................... 32
Figura 10. Esquema da alteração realizada na caldeira para testar o efeito de RGE. .................... 35
Figura 11. Esquema da alteração realizada na caldeira para testar o efeito de estagiamento de ar.
.......................................................................................................................................................... 36
Figura 12. Dispositivo utilizado para estagiamento de ar. ............................................................... 36
Figura 13. Esquema da instalação experimental. ............................................................................ 37
Figura 14. Sonda acoplada com impactor LPI para recolha de gases e de partículas. .................. 38
Figura 15. Representação esquemática da sonda responsável pela amostragem de gases e suas
dimensões [1]. .................................................................................................................................. 39
Figura 16. Princípio de funcionamento do LPI [19]. ......................................................................... 40
Figura 17.Efeito de RGE nas emissões gasosas e de PM para 13 e 17 kW. .................................. 44
Figura 18. Efeito de RGE nas emissões de PM2,5 para 13 e 17 kW. ............................................... 45
Figura 19. Efeito do estagiamento de ar nas emissões de gasosas e de partículas para 13 e 17
kW. .................................................................................................................................................... 46
Figura 20. Efeito da aplicação de estagiamento de ar nas emissões de PM2,5 para 13 e 17 kW. .. 48
vii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Consumo Anual de energia Global (Gtoe), 2010 [6]. ......................................................... 3
Tabela 2. Comparação entre as propriedades físicas e químicas da biomassa e do carvão [22]. . 13
Tabela 3. Propriedades dos pellets de acordo com a norma DIN 51731. ....................................... 34
Tabela 4. Características dos analisadores utilizados na medição da concentração das espécies
químicas. .......................................................................................................................................... 38
Tabela 5.Propriedades das pellets utilizadas. .................................................................................. 41
Tabela 6. Condições de operação dos testes com Recirculação dos gases de exaustão. ............. 42
Tabela 7. Condições de operação dos testes com estagiamento de ar. ......................................... 42
viii
NOMENCLATURA
Caracteres Latinos
cp Calor específico
Texaustão Temperatura dos gases de exaustão
P Carga térmica
Caudal mássico de pellets
Caracteres Gregos
Coeficiente de excesso de ar
Razão de equivalência
Abreviaturas
PCS
Poder Calorífico Superior
PCI
Poder Calorífico Inferior
ESP
Precipitador Electroestático
RGE
Recirculação dos Gases de Exaustão
PM
Particulate Matter
LPI Low Pressure Impactor
DLPI Dekati Low Pressure Impactor
daf Dry ash free
1
1. INTRODUÇÃO
O presente trabalho enquadra-se na temática das energias renováveis, abordando, em particular,
as questões relacionadas com a combustão da biomassa. O trabalho está dividido em cinco
partes. O presente capítulo apresenta um enquadramento geral em torno da problemática das
emissões resultantes da combustão da biomassa e as suas implicações no ambiente e na saúde
pública. É depois apresentado o estado da arte nesta matéria através dos últimos trabalhos
publicados. Neste capítulo são ainda definidos os objetivos da presente investigação. O capítulo 2
apresenta os fundamentos teóricos que servem de base à discussão dos presentes resultados
enquanto o capítulo 3 descreve a instalação e as técnicas experimentais usadas no decurso do
presente estudo. O capítulo 4 é dedicado à análise e interpretação dos resultados obtidos.
Finalmente, o capítulo 5 resume as principais conclusões deste estudo e lista algumas sugestões
para trabalhos futuros.
1.1. Enquadramento
O uso de energia tornou-se, possivelmente, no elemento mais importante para a qualidade de vida
humana. A sua importância vem desde os tempos pré-históricos, aquando da descoberta do fogo.
Este foi, talvez, o marco mais importante na história de toda a humanidade.
O homem, na sua constante mudança, sempre teve a necessidade de evoluir. A maior progressão
na história da energia surgiu com a Revolução Industrial. Esta marcou uma viragem na história
mundial tanto em termos económicos e de qualidade de vida, como também em termos
ambientais, produzindo um grande impacto na natureza.
Com a Revolução Industrial descobriu-se um novo combustível que revolucionaria o mundo: o
carvão. Com o seu surgimento, construíram-se grandes centrais de produção de vapor para gerar
energia por todo o mundo, prevendo-se atualmente que o seu consumo continuará a crescer,
embora a uma taxa mais reduzida.
O petróleo foi o outro protagonista da revolução industrial, representando um marco na evolução
do sector automóvel, sendo até aos dias de hoje o principal combustível usado neste sector,
existindo poucos combustíveis alternativos ao seu uso.
No entanto, o uso inconsciente dos combustíveis fósseis provocou graves problemas respeitantes
não só no referente à sua escassez, mas também nas grandes alterações climáticas que resultam
da enorme quantidade de emissões de poluentes derivadas do uso abusivo dos combustíveis
fósseis. Devido à carência emergente destes, os preços inflacionaram, tendo a sua utilização
vindo a tornar-se, para os países mais pobres, cada vez mais limitativa.
2
Como resultado da contínua procura dos combustíveis fósseis, a sua disponibilidade tem vindo a
diminuir. Contudo, as emissões causadoras do efeito de estufa apresentam uma evolução
contrária, sendo este talvez o problema mais grave que a humanidade enfrenta. Conclui-se que
para terminar com o abuso do consumo dos combustíveis fósseis é necessário estabelecer novas
medidas que controlem o nível de emissões e que incentivem a redução do seu uso.
Em Março de 2007 [1] novas metas foram impostas aos países da União Europeia que visavam a
redução das emissões gasosas responsáveis pelo efeito de estufa até 20% dos níveis registados
em 1990 até 2020, incentivando também o investimento nas energias renováveis de forma que
estas em 2020 contribuam até 20% do consumo de energia primária.
As energias renováveis têm, nos dias de hoje, uma importância cada vez mais acrescida. A sua
contribuição na redução da dependência dos combustíveis fósseis é notável. Em 2007, 8,5% do
consumo final de energia na UE foi devido às energias renováveis [2]. A biomassa conta como
sendo 2/3 de toda a fonte renovável de energia na Europa e as tendências atuais confirmam esta
posição, sendo esperado um contínuo crescimento neste setor, de forma a atingir as metas da UE
[2].
O termo biomassa é referido a todo o material derivado de plantas ou adubo animal. A energia
proveniente da biomassa deriva de material de origem florestal ou animal, tais como madeira de
florestas, resíduos de agricultura, processos de silvicultura e resíduos animais, humanos e
industriais [3].
A biomassa é a quarta fonte de energia mais abundante no mundo e é a fonte de energia
renovável dominante [4]. Contudo, muitos resíduos de biomassa não são ainda aproveitados e são
deixados nas florestas e campos agrícolas após limpeza destes, sem qualquer aproveitamento. A
Tabela 1 mostra o consumo energético anual em 2010, em que o consumo de biomassa mundial
foi de aproximadamente 2%.
A biomassa é a forma de conversão de energia mais antiga, sendo muito utilizada nos países
menos desenvolvidos, em especial em processos caseiros, tais como fogões de cozinha ou
lareiras. Nestes países a biomassa é responsável pelo fornecimento de aproximadamente 35% de
toda a energia requerida [5]. Também nos países mais desenvolvidos a biomassa é um
combustível que se tem revelado competitivo em relação aos combustíveis fósseis.
Contudo, faltam ainda dados e estatísticas a longo termo no que diz respeito à biomassa, e a
dificuldade de os obter é grande, uma vez que este combustível é geralmente usado para uso
individual. Adicionalmente, outros usos não energéticos são dados à biomassa, o que dificulta o
fornecimento desta e a avaliação de recursos mais difíceis.
3
Tabela 1. Consumo Anual de energia Global (Gtoe), 2010 [6].
Combustíveis fósseis 10.45
Petróleo 4.03
Carvão 3.56
Gás natural 2.86
Energia nuclear 0.63
Energias renováveis 0.94
Hídrica 0.78
Eólica 0.16
Biomassa 1-2
Energia total consumida 13-14
A biomassa é, como já foi anteriormente mencionado, muito competitiva em relação aos
combustíveis fósseis. Tal facto deve-se a que esta não contribui para o incremento das emissões
de CO2, um dos poluentes responsáveis pelo efeito de estufa, chuvas ácidas e contaminação dos
solos.
Na verdade, a sua queima representa um ciclo de formação e consumo de CO2, tal como se
mostra na Figura 1. O ciclo de carbono da queima da biomassa tem início quando esta retira da
atmosfera o CO2 que necessita para o seu desenvolvimento, durante o processo de fotossíntese.
Durante a sua combustão, como a biomassa tem na constituição quase 50% de carbono, produz
grandes quantidades de CO2 que são libertadas para a atmosfera. No entanto, todo o CO2
libertado será novamente absorvido pela biomassa que se encontra em crescimento. Assim, todo
o CO2 que é emitido durante a combustão de biomassa é utilizado, sem que ocorra o incremento
das emissões de CO2 libertadas na atmosfera, sendo, assim, o balanço ao carbono neutro.
Um outro motivo pelo qual a biomassa se tem tornado cada vez mais relevante é o fato de nunca
se esgotar na natureza, isto é, de ser renovável, podendo o seu reabastecimento ser obtido num
curto espaço de tempo [7]. Comparativamente aos combustíveis fósseis é também uma fonte de
energia muito económica, requere um tecnologia de aplicação simples, podendo por vezes a sua
combustão ser realizada em sistemas de queima de carvão [6].
A fácil obtenção da biomassa face aos combustíveis fósseis, assim como as reduzidas emissões
de certos poluentes gasosos libertados durante a sua combustão quando comparados com as dos
combustíveis fósseis são outros motivos pelos quais a biomassa se tem tornado um combustível
cada vez mais procurado.
A biomassa tem, contudo, aspetos negativos. Durante a combustão de biomassa emissões
gasosas e sólidas são libertadas em quantidades elevadas, sendo muitas vezes difícil a sua
4
redução e o seu controlo. As emissões sólidas, em particular, serão alvo de intenso estudo
durante esta tese, devido a estas terem um impacto extremamente prejudicial na saúde humana.
A matéria particulada (PM), ou simplesmente partículas, consiste em partículas de dimensões
muito pequenas suspensas no ar. A sua dimensão está relacionada com o impacto que estas têm
nas perturbações causadas, sendo que as de menor dimensão são as que apresentam maiores
transtornos na saúde. Tal acontece devido ao facto de algumas partículas apresentarem uma
dimensão de tal forma reduzida que se conseguem infiltrar nos alvéolos pulmonares, aumentando
o risco do desenvolvimento de doenças.
Figura 1. Ciclo de carbono da combustão da biomassa.
Em países cujos sistemas de queima não são controlados, como nos países em vias de
desenvolvimento, a concentração de partículas no ar atmosférico é elevada e está fortemente
relacionada com o aparecimento de cancro de pulmão, enfarte de miocárdio, asma, bronquites
crónicas, entre outras [8]. Segundo a United States Environmental Protection Agency [8], estima-
se que dezenas de milhares de pessoas morram prematuramente por cada ano, pela exposição a
níveis elevados de partículas finas na atmosfera.
A preocupação relativa às emissões de partículas não se confina aos países menos
desenvolvidos. Nos países do norte da Europa, onde as temperaturas são muito reduzidas, o uso
de caldeiras domésticas é uma fonte de aquecimento muito comum. Devido a características
particulares deste tipo de sistemas de queima, o seu processo de combustão liberta maiores
quantidades de partículas do que as unidades de queima de maiores dimensões.
CO2, H
2O e luz solar
CO2 devolvido à atmosfera
H2O
Queima da biomassa
Fotossíntese
Novas fontes de biomassa
5
Na Finlândia, estima-se que a combustão de madeira residencial é uma das maiores fontes de
emissões de pequenas partículas e compostos orgânicos voláteis (VOC) [9] Contudo, não existem
métodos que sejam eficazes ou económicos na captura ou redução das emissões de partículas
finas.
Em sistemas de leito fluidizado existem sistemas de limpeza dos gases de exaustão, sendo as
emissões de partículas muito afetadas pela eficiência dos sistemas de filtração de partículas. As
tecnologias mais comuns de separação de partículas incluem ciclones, precipitadores
electroestático (ESP), filtros manga e purificadores. No entanto, estas técnicas detêm as partículas
quando estas já se encontram no escoamento dos gases de escape, e não são eficientes na
captura das que possuem menores dimensões, sendo estas libertadas na atmosfera. Por este
motivo o estudo das emissões de partículas é também um assunto pertinente quando se trata da
combustão em sistemas de leito fluidizado.
A biomassa é, portanto, uma forte opositora aos combustíveis fósseis devido às emissões de CO2
praticamente nulas, à sua abundância elevada e ao facto de não se esgotar. Contudo apresenta
aspetos negativos, como a sua baixa densidade energética e poluentes extremamente prejudiciais
à saúde humana.
De modo a reduzir as emissões de partículas é necessário agir sobre o processo de combustão,
uma vez que os processos de captura pós-combustão destas não são eficazes na recolha das
menores partículas. Alguns autores estudaram os efeitos de métodos pós-combustão
(catalisadores) na diminuição das menores partículas em pequenas instalações, no entanto, estes
não apresentaram efeitos notórios na diminuição destes poluentes [10]. Entendeu-se, portanto,
que é necessário incidir sobre o processo de combustão de forma a afetar os processos de
formação de partículas, e assim favorecer a redução ou abate destas, diminuindo desta forma o
número de partículas pequenas, difíceis de captar através dos métodos convencionais.
No presente estudo utilisaram-se como métodos de alteração ao processo de combustão a
Recirculação dos Gases de Exaustão (RGE) e o estagiamento de ar. O RGE consiste no reenvio
de uma fracção dos produtos do processo de combustão para o interior da câmara de combustão,
enquando o estagiamento de ar consiste na introdução do ar de combustão em duas etapas,
criando uma zona pobre em ar junto ao queimador (zona primária de combustão) e uma zona rica
em ar acima do queimador (zona secundária de combustão). Estes métodos são já muito
utilizados na redução de emissões de NOx, no entanto, eles não foram ainda suficientemente
estudados relativamente ao seu efeito nas emissões de partículas.
O presente trabalho de investigação foca-se, assim, no estudo da influência destes processos nas
principais emissões resultantes da combustão da biomassa, testando a sua eficácia na diminuição
dos poluentes libertados. Para tal uma introdução prévia dos fenómenos presentes no processo de
6
combustão da biomassa serão adiante apresentados. Justifica-se igualmente o estudo mais
aprofundado dos poluentes e dos seus processos de formação que resultam da combustão da
biomassa. Os métodos aplicados para a modificação do processo de combustão, tal como os
processos físicos subjacentes e os seus efeitos nas emissões gasosas, serão descritos mais à
frente nos capítulos subsequentes.
1.2. Estudos anteriores
Os estudos realizados no respeitante à redução de partículas emitidas durante a combustão de
biomassa em pequenas aplicações são bastante limitados. A investigação referente às emissões
de partículas e sua redução envolvendo modificações diretamente no processo de combustão é
ainda mais escassa.
Apesar de a bibliografia ser muito limitada apresentam-se os esforços mais recentes que têm sido
realizados no estudo de novos métodos de redução de partículas, bem como outros trabalhos de
investigação realizados cuja informação se mostrou muito relevante no decorrer deste estudo. Os
estudos apresentados são apenas referentes à aplicação de estagiamento de ar em pequenas
instalações como estratégia de redução das emissões de partículas, não tendo sido encontrados
trabalhos anteriores cujo estudo incidisse sobre a aplicação de RGE.
Zandeckis et al. [11] realizaram um estudo que incidiu sobre a influência do estagiamento de ar na
otimização do processo de combustão, avaliando as emissões gasosas e as cinzas de fundo. Os
autores indicaram que para que a aplicação deste método seja eficaz é necessário que a razão
(mássica) se encontre nas proporções corretas, que o local de incidência dos jatos de ar
secundário na chama seja o apropriado e que a orientação dos jatos de ar secundário seja a
adequada. Os autores constataram que a aplicação de estagiamento reduz as emissões gasosas
e de cinzas e concluíram, então, que o estagiamento de ar pode ter grandes benefícios na
redução de emissões, mas que se for mal implementado pode também ter o efeito contrário.
Fernandes e Costa [12] estudaram as emissões de partículas resultantes da queima de pellets de
pinho numa caldeira doméstica com o objetivo de quantificar e caracterizar morfológica e
quimicamente as mesmas. Os autores verificaram que o valor máximo de emissões de CO
coincide com o valor máximo de emissões de partículas, apresentando evoluções semelhantes,
concluindo que as emissões de CO são um bom indicador da eficiência da caldeira. As partículas
foram diferenciadas em ultra finas (<100 nm), aglomerados de partículas da ordem dos
submícrons e mícrons e partículas maiores isoladas, cuja forma é esférica ou irregular. Uma
análise química detalhada às menores partículas revelou que estas são constituídas
maioritariamente por O, K, Cl, Na e S, sendo que são possivelmente formadas devido à
condensação de metais alcalinos sobre partículas de fuligem, contribuindo para as partículas de
dimensões inferiores a 100nm. As partículas de dimensão da ordem dos submícrons e mícrons
7
são constituídas por elementos de C, O, Ca, Mg, K e P, sendo compostas essencialmente por
fuligem. Finalmente, as partículas de dimensões superiores a 10 µm são constituídas
essencialmente por carbono e oxigénio.
Lamberg et al. [13] analisaram os efeitos do estagiamento de ar e carga térmica nas emissões de
gases e de partículas finas de numa pequena caldeira alimentada a pellets. Realizaram-se testes
em que se reduziram três parâmetros diferentes: carga térmica parcial, ar primário e ar
secundário. Concluíram que as emissões de CO e de partículas diminuem com o aumento da
carga parcial, sendo o de CO mais notório. A redução do ar primário teve como consequência a
redução das emissões de CO e da temperatura na zona de combustão primária, reduzindo a
libertação de metais alcalinos do combustível. A redução de ar secundário tem um efeito negativo
nas emissões de partículas, na vaporização de metais alcalinos e na formação de produtos
originados a partir da combustão incompleta do combustível. Foi também concluído que uma boa
mistura entre o ar secundário na câmara e os produtos de combustão da zona primária tem um
grande impacto na diminuição das emissões.
Becidan et al. [2] observaram o comportamento das cinzas durante a combustão de pellets de
biomassa com estagiamento e sem estagiamento de ar, num reator experimental. O estudo foi
realizado para três pellets diferentes (madeira, madeira demolida e resíduos de café) e para seis
pellets cuja composição é uma mistura entres as anteriores. Um efeito do estagiamento de ar foi a
ocorrência de uma maior retenção de K, contrariamente ao que acontece com Na, nas cinzas de
fundo no caso das pellets sem mistura. As emissões das pellets de mistura não revelaram
qualquer alteração face ao estagiamento de ar, o que sugere que ao misturar os combustíveis,
estes interagem entre si, e estas interações têm efeitos químicos não lineares. Concluíram que a
mistura de diferentes combustíveis pode ser um método eficiente para afetar o processo químico
dos elementos constituintes dos combustíveis, e que o estagiamento, afetando a formação de
partículas, tem um caráter promissor no que concerne a redução de problemas associados com as
emissões das mesmas.
Wiinikka e Gebart. [14] testaram o efeito da distribuição do ar nas emissões de partículas na
combustão de pellets de madeira e de casa de árvore num reator experimental de 10 kW. Foram
estudadas três condições diferentes de fornecimento de ar. Primeiramente o ar de combustão foi
fornecido diretamente na grelha, tendo sido depois dividido igualmente entre a grelha e acima
desta e por último, estudou-se a situação em que todo o ar foi injetado acima da grelha. Os
resultados mostraram que as emissões de partículas grosseiras são menores no caso em que o ar
é dividido igualmente entre a grelha e acima desta, sucedendo o contrário na situação em que o ar
se encontra dividido. As emissões de partículas finas diminuem com a diminuição de ar primário,
tendo sido verificado que as menores emissões ocorreram para a situação em que todo o ar é
injetado acima da grelha.
8
Fernandes e Costa [15] estudaram o processo de formação de partículas numa caldeira doméstica
alimentada a pellets de pinho. A câmara de combustão sofreu alterações, de modo a permitir a
introdução horizontal de sondas no seu interior, ao longo do seu eixo vertical, tendo sido, assim,
todas as medições realizadas no interior da câmara. Para tal foram feitos 5 orifícios, a que se deu
o nome de portas, em cada uma das posições laterais da caldeira. As concentrações máximas de
CO e CO2 encontram-se nas regiões mais próximas da chama, e a sua concentração reduz-se
com o aumento da distância vertical em relação ao queimador, indicando que ocorreu um
melhoramento do processo de combustão. A quantidade máxima de fuligem formada situa-se na
porta 1, indicando que esta se forma no início da combustão, e tende a ser oxidada entre a porta 1
e 2 devido às temperaturas elevadas e à concentração de O2 alta. Nesse estudo foram recolhidas
amostras de partículas na porta 3, verificando-se que os vapores inorgânicos coexistiam com a
fuligem. Os autores apontam para a importância de se projetar um sistema de queima que
favoreça tanto a oxidação da fuligem quando as temperaturas são elevadas, como a inibição da
vaporização de metais alcalinos, em que temperaturas mais baixas devem ser aplicadas.
1.3. Objetivos
A emissão de partículas de pequenas dimensões durante a combustão da biomassa pode tornar-
se um problema de saúde pública, e por isso, é importante a sua diminuição. Contudo, os métodos
atuais de redução de emissões pós combustão não permitem a captura das menores partículas.
Por este motivo, é importante o estudo de novos métodos de diminuição das emissões de
partículas.
A aplicação de métodos que incidam directamente sobre o processo de combustão poderá
apresentar vantagens respeitantes à diminuição destes poluentes. A realização desta dissertação
tem, assim, como objetivo o estudo da influência que a aplicação dos métodos de RGE e
estagiamento de ar tem nas emissões de emissões de gases e de partículas em sistemas
domésticos de queima.
Os testes foram realizados numa caldeira doméstica alimentada a pellets, cuja potência máxima é
de 22 kW. Para cada teste foram medidas as emissões de gases e partículas. As partículas foram
recolhidas num filtro que permite a sua diferenciação de acordo com o seu diâmetro aerodinâmico.
A influência da aplicação de cada método nas emissões de gases e partículas foi analisada para
as cargas térmicas de 13 kW (2,6 kg/h) e de 17 kW (3,4 kg/h).
9
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1. Biomassa como combustível
As propriedades da biomassa variam muito, dependendo da sua origem e do pré-tratamento a que
esta foi sujeita. Contudo, apesar da sua enorme disponibilidade na natureza, o seu nível de
utilização é relativamente reduzido, uma vez que a biomassa apresenta outros fins para além da
utilização energética.
A biomassa tanto se pode encontrar no seu estado natural, tal como é encontrada na natureza,
como pode estar disponível enquanto produto processado, fabricado a partir da madeira, palha e
outros resíduos agrícolas (como é o caso dos pellets, briquetes, combustíveis pulverizados, entre
outros).
O conhecimento das propriedades da biomassa é de extrema importância para ser possível a
seleção de um equipamento de combustão adequado às suas características. Um combustível
que apresente uma elevada heterogeneidade e uma baixa qualidade deve ser utilizado num
sistema de combustão mais sofisticado [16].
Os combustíveis fósseis sólidos convencionais são classificados através de uma grande variedade
de testes, tendo em conta as suas diversas propriedades. Comercialmente, o valor de um
combustível é determinado pelo seu poder calorífico, quantidade de matéria volátil e conteúdo de
cinzas. A biomassa, sendo também um combustível que se encontra no estado sólido é
igualmente caracterizada pelos mesmos padrões que os outros combustíveis fosseis. Outros
critérios que determinam a facilidade ou o modo de transporte e a facilidade ou a eficiência do
processo para seu uso final são também considerados, assim como fatores ambientais (conteúdo
de S, N).
O processo de utilização térmica (fornecimento do biocombustível, sistema de combustão e
emissões gasosas e sólidas) de todos os biocombustíveis sólidos depende muito das suas
características físicas (tamanho das partículas, densidade, humidade, PCI) e da sua composição
química.
A composição da biomassa funciona como um código fundamental que carateriza e determina as
propriedades, a qualidade, o potencial de aplicação e problemas ambientais relacionados com o
combustível. Assim, análises físicas, químicas, minerais e geoquímicas são realizadas para a
caracterização dos combustíveis sólidos. As mais relevantes do ponto de vista da combustão de
combustíveis sólidos são a análise imediata, a análise elementar e o poder calorífico.
10
A análise imediata determina a humidade, o conteúdo de cinzas e de matéria volátil presentes na
biomassa, e o carbono fixo [17]. A análise elementar fornece percentagens precisas do teor de C,
S, H, N, Cl e O. As características físicas e químicas mais relevantes para a classificação da
biomassa são apresentadas.
Teor de humidade
O teor de humidade na biomassa varia muito, podendo os seus valores estar situados numa gama
entre 10-70%. A madeira recém-cortada apresenta cerca de 50% de humidade, e mesmo após a
sua secagem ao ar livre, esta continua a ter entre 15-20% de humidade [6].
A humidade presente na biomassa tem uma grande influência no processo de combustão, devido
à sua influência no poder calorífico do combustível [18] e no volume dos gases de exaustão
produzidos por unidade de energia, sendo por isso uma fator a ter em atenção. Um combustível
que apresente elevados teores de humidade necessita também de maiores tempos de residência
antes da fase de pirólise e da combustão do resíduo carbonoso, para que ocorra toda a sua
evaporação. Adicionalmente um maior teor de humidade requere um maior uso de combustível,
gerando maiores quantidades de gases de combustão e necessitando também de equipamentos
de maiores dimensões [17].
O poder calorífico do combustível diminui com o aumento do teor de humidade. Para os
biocombustíveis, em que o teor de humidade é elevado, podem ocorrer problemas durante a sua
queima, como dificuldade na ignição e redução da temperatura de combustão, o que dificulta o
desenvolvimento da combustão, afetando a qualidade da mesma.
Teor de matéria volátil
A matéria volátil resulta essencialmente de combinações entre carbono e hidrogénio e contribui
em cerca de 70% para o calor libertado durante a combustão da biomassa, ao contrário do que
acontece durante a combustão do carvão, em que apenas 36% da sua constituição é matéria
volátil. Consequentemente a combustão de voláteis é o processo dominante durante a combustão
de biomassa, sendo que a combustão do resíduo carbono tem uma importância menos acrescida
[6]. O valor típico de biomassa volatilizada é aproximadamente de 75% da sua massa.
Os voláteis são constituídos por espécies gasosas (HC, CO, CO2, H), humidade e alcatrões.
Devido à elevada quantidade de voláteis presentes na biomassa, a sua ignição é facilitada,
mesmo a temperaturas mais baixas, no entanto ocorre a taxas de combustão elevadas e pode
torna-se difícil de controlar. O resultado desta rápida libertação de voláteis é a necessidade de
temperaturas elevadas de forma que ocorra a combustão completa dos elementos vaporizados,
implicando que os princípios de operação e de projeto da combustão do carvão não são os mais
adequados para a queima da biomassa.
11
Teor de cinzas
As cinzas são a fração inorgânica não combustível que permanece após a combustão completa do
combustível. A libertação dos compostos inorgânicos da biomassa é influenciada tanto pela sua
volatilidade como pelas reações dos compostos orgânicos do combustível. O material que é
volatilizado às temperaturas de combustão inclui os metais alcalinos, como o potássio e o sódio e
outros elementos como o Cl e S. Outros materiais não voláteis podem ser libertados durante a
pirólise por transporte convectivo.
O material inorgânico das cinzas pode ser divido no material que é inerente ao combustível, e
aquele que é adicionado ao combustível a partir de processos de tratamento e recolha da
biomassa [19]. O material inerente à biomassa é composto essencialmente por elementos tais
como Si, Al, Ti, Fe, Ca, Mg, Na, K, S e P, O teor de cinzas varia desde <1% para o caso da
madeira, até 18-25%, como é o caso da casca de arroz. Na biomassa, o teor de cinzas é, em
geral, inferior ao do carvão.
Carbono fixo
O carbono fixo é a fração residual de biomassa, quando descontados os teores de humidade, de
cinzas e de matéria volátil. Após a combustão dos voláteis permanece no queimador uma
estrutura de forma esférica constituída por carbono fixo e cinzas. Devido ao elevado teor de
voláteis presentes na biomassa, o carbono fixo representa uma fração pequena quando
comparado com o teor existente no carvão. No entanto, a sua importância no processo de
combustão é igualmente elevada.
Análise Elementar
Os elementos presentes na biomassa variam muito, dependendo da origem e tipo de biomassa.
Os principais constituintes da biomassa são o carbono (C), o hidrogénio (H) e o oxigénio (O).
Estes elementos formam arranjos complexos de celulose, hemicelulose e lenhina [18]. No entanto,
a biomassa apresenta na sua composição outros elementos tais como minerais, lípidos, proteínas,
amido, açúcares e água. A quantidade destes compostos presentes nas plantas, depende do seu
estado de desenvolvimento e do tipo de tecido ou estrutura (folhas, caules, flores, entre outros),
variando de espécie para espécie [18].
C e H são oxidados durante a combustão através de reações exotérmicas, formando CO2 e H2O,
contribuindo ambos positivamente para o PCS, enquanto o oxigénio contribui negativamente [20].
Devido aos hidrocarbonetos presentes na sua estrutura, a biomassa é muito oxigenada se
comparada com os combustíveis fósseis [18].O fato de na biomassa existir carbono em formas
parcialmente oxidadas, contribui para baixar o seu PCS [21].
O principal componente da biomassa é o carbono, correspondendo a aproximadamente 30-60%
da matéria em base seca, dependendo do seu conteúdo de cinzas. Em média, 30% a 40% da
12
composição química em base seca da biomassa é oxigénio, e é o segundo elemento dominante
na composição da biomassa. Devido a esta alta concentração, parte do oxigénio necessário para
a reação de combustão é fornecido pelo oxigénio que é libertado durante a decomposição térmica
da biomassa, sendo o resto provido pela injeção de ar [16]. O terceiro elemento com maior
concentração é o hidrogénio (H), correspondendo a cerca de 5% a 6% de matéria em base seca
[18], tendo uma influência considerável no PCI devido à sua transformação em água.
A biomassa é igualmente constituída por azoto (N), enxofre (S) e cloro (Cl), sendo os seus teores
geralmente inferiores a 1% em base seca [18]. Segundo Obernberger [20], a madeira sem casca
de árvore possui o menor teor de N, tendo a casca de árvore, a palha, o miscanthus e os resíduos
de fruta teores elevados deste elemento.
Poder Calorífico
O poder calorífico pode ser definido como superior (PCS) ou inferior (PCI). O PCS é o conteúdo
energético total libertado quando o combustível é queimado, incluindo o calor latente contido no
vapor de água. Por outro lado, o PCI corresponde à energia total libertada subtraída da energia
necessária para evaporar a humidade presente no combustível. O PCI da biomassa é bastante
inferior ao do carvão devido ao elevado teor de humidade presente na sua composição.
Densidade
A densidade é uma das propriedades físicas de maior importância, devido a razões económicas e
tecnológicas. A generalidade dos biocombustíveis apresenta baixas densidades, em especial os
de origem agrícola, como a palha (50-120 Kg/m3) ou a casca de arroz (122 kg/m
3). Estes valores
quando comparados com o carvão são extremamente baixos, como se pode verificar observando
a Tabela 2.
São várias as desvantagens relacionadas com a baixa densidade dos combustíveis, tais como um
PCI baixo, o difícil controlo de alimentação de combustível, a necessidade de um espaço maior
para armazenamento, os elevados custos de transporte, e as limitações de tecnologias de queima.
O valor de densidade energética, relacionado com a densidade do combustível e o PCS
influenciam a sua necessidade de armazenamento e o controlo do sistema de fornecimento de
combustível ao sistema de queima.
Na forma como se encontra na natureza, a biomassa apresenta, em geral, características não
representativas de um bom combustível, como por exemplo:
Baixo poder calorífico;
Problemas económicos associados ao transporte e distribuição;
Elevada humidade que pode dificultar muito a sua combustão;
Dificuldade em controlar a taxa de combustão;
Elevada área necessária para armazenamento.
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Tabela 2. Comparação entre as propriedades físicas e químicas da biomassa e do carvão [22].
Propriedade Biomassa Carvão
Densidade (kg/m3) ~ 500 ~ 1300
Tamanho da partícula (mm) ~ 3 ~ 100 x 10-6
Carbono 42 - 54 65 – 85
Oxigénio 35 – 45 2 – 15
Enxofre Máx. 0.5 0.5 – 7.5
SiO2 23 – 49 40 – 60
K2O 4 – 48 2 – 6
Al2O3 2.4 – 9.5 15 – 25
Fe2O3 1.5 – 8.5 8 – 18
Temperatura de ignição (K) 418 – 426 490 – 595
PCI (MJ/kg) 14 - 21 23 - 28
Muitos destes inconvenientes devem-se à baixa densidade da biomassa, sendo necessário o
tratamento desta de forma a aumentar a sua densidade. Surgem, assim, as técnicas de
densificação de biomassa, que visam o aperfeiçoamento das suas propriedades de queima,
transporte e armazenamento.
A biomassa densificada apresenta várias vantagens, das quais se destacam [23], [1] as
enunciadas seguidamente:
Baixo teor de humidade, o que facilita a sua combustão;
Facilidade de armazenamento;
Facilidade de transporte;
Maior densidade energética;
Hipótese de combustão espontânea da biomassa armazenada é reduzida;
Combustão uniforme;
Menor emissão de partículas;
Maior durabilidade, devido a um teor de humidade menor, o que proporciona uma menor
degradação;
Elevado rendimento térmico.
Na densificação de biomassa as duas técnicas mais utilizadas são a produção de pellets e a de
briquetes, sendo a primeira mais usada nos países desenvolvidos, utilizando-se em equipamentos
de alimentação automática, enquanto a segunda técnica é mais comum nos países em vias de
desenvolvimento [24].
14
O uso de pellets tem-se tornado muito popular, em alguns países europeus, tais como a Suécia,
Dinamarca, Bélgica, Alemanha, Áustria, Finlândia e Itália [25]. Em alguns destes países já estão
em vigor normas que regulamentam os critérios de qualidade a exigir ao combustível, pois a
utilização deste em sistemas domésticos automáticos requer elevados padrões de qualidade [24].
No entanto, a combustão da biomassa, incluindo a de pellets, particularmente em pequenas
aplicações, apresenta graves problemas no tocante às emissões de poluentes. Estas são
agravadas devido à combustão incompleta da biomassa. Os poluentes são libertados na
atmosfera, e entre os mais graves encontram-se as partículas de pequenas dimensões compostas
por cinzas volantes e material não oxidado.
2.2. Combustão da biomassa
O processo de combustão da biomassa envolve vários aspetos físicos e químicos de extrema
complexidade, e que dependem das propriedades do combustível e da aplicação da combustão.
A combustão, quando desejada, é muito vantajosa em aplicações domésticas, tanto a nível de
conforto como também a nível de processos culinários. Os produtos resultantes podem ser usados
diretamente para aquecimento se a combustão tiver lugar em pequenas unidades, para
aquecimento de águas ou geração de eletricidade.
As várias fases são a ignição, a secagem da biomassa, a pirólise, a combustão da matéria volátil e
a oxidação do resíduo carbonoso (o que sobra depois de oxidada toda a matéria volátil). O
processo de combustão pode ser contínuo, sendo esta referente a unidades de combustão médias
a grandes ou intermitente, quando relacionada com pequenas unidades de combustão. A adição
de ar pode ser intermitente, geralmente quando usada com pequenas unidades de combustão, ou
contínua, para maiores unidades de combustão [16].
A combustão da biomassa inicia-se com a fase de ignição. A ignição tem lugar num instante de
tempo tig, para o qual a partícula de biomassa tem uma massa inicial m0. Os passos seguintes são
a secagem e a pirólise. A sua importância varia dependendo da tecnologia implementada, das
propriedades do combustível e das condições do processo de combustão [16].
Após a ignição a superfície da partícula sofre um aumento de temperatura e à medida que a
temperatura no interior da câmara de combustão aumenta, a superfície externa da partícula
recebe calor por convecção [1]. O interior da partícula recebe calor por condução, a partir da
superfície externa que se encontra a uma temperatura superior. O processo de secagem ocorre
i) Biomassa secagem biomassa seca
ii) Pirólise voláteis + resíduo carbonoso
iii) Voláteis + ar CO + CO2 (+ PAH + HC + fuligem + PM)
iv) Resíduo carbonoso + ar CO + CO2
15
para temperaturas inferiores a 473 K. Nesta fase ocorre a libertação do vapor de água do
combustível para o exterior. A reação de combustão é exotérmica, isto é, liberta calor, ao contrário
da evaporação da água, que é endotérmica. Sucede, então, que o processo de secagem requere
a energia libertada pela combustão da biomassa, reduzindo a temperatura no interior da câmara
de combustão. Como a taxa de reação depende fortemente da temperatura de combustão, a
redução da última afeta o processo de combustão, tornando-o mais lento. Verificou-se que se o
conteúdo de humidade for superior a 60% em base húmida, o processo de combustão não
consegue ser mantido, pois a energia requerida para evaporar toda água presente no combustível
é demasiado elevada [16].
Depois da secagem da biomassa segue-se a fase da pirólise em que ocorre a libertação da
matéria volátil presente no combustível, sem que ocorra a sua oxidação, uma vez que o oxigénio
não se consegue difundir com os voláteis, devido à rápida libertação destes. Mais tarde, quando a
mistura dos voláteis com o oxigénio é possível ocorre a oxidação, na presença do oxigénio que se
encontra na periferia [1], apresentando-se a chama visível. As temperaturas típicas desta fase
situam-se entre 533 e 775 K, e a reação é fortemente exotérmica. Esta etapa da combustão da
biomassa é muito relevante, visto que uma grande parte da biomassa é convertida em matéria
volátil (pode atingir 80%) [6]. Nesta fase ocorre um grande decréscimo na massa da partícula de
combustível, pois como esta apresenta um teor muito elevado de voláteis, estes ao serem
oxidados contribuem para uma grande perda de massa. Esta fase é de extrema importância no
processo de formação de partículas, pois é durante a combustão de voláteis que se forma a
fuligem, libertando-se também CO, CH4 e CO2.
Durante a fase de combustão dos voláteis, cria-se uma frente de chama que rodeia a partícula de
combustível, e pouco oxigénio consegue penetrar na chama em direção à mesma. Após a
extinção da chama resultante da combustão dos voláteis, o oxigénio consegue penetrar na
superfície da partícula e inicia-se a combustão do resíduo carbonoso resultante do processo de
volatilização. Nesta fase importantes reações de transformação da matéria inorgânica em cinzas
ocorrem [1]. Este processo ocorre para temperaturas a partir de 775 K e envolve reações
heterogéneas, sendo que as espécies químicas envolventes estão presentes tanto no estado
solido como no estado liquido (reações gás-solido).
O resíduo carbonoso tem na sua composição essencialmente carbono e cinzas com pequenas
quantidades de hidrogénio, azoto, oxigénio e enxofre [26]. A sua forma é esférica e pode
apresentar fissuras ou cavidades consequentes da libertação dos gases no decorrer do processo
de volatilização. Internamente é muito poroso, sendo a estrutura dos poros e o tamanho do
resíduo dependentes do tipo de combustível, da dimensão das partículas e das condições de
ocorrência da volatilização.
16
2.3. Poluentes gasosos
Os poluentes emitidos durante o processo de combustão podem ser classificados em dois grupos
principais: os que são originados devido à combustão incompleta do combustível e aqueles que
são formados devido às propriedades físicas e químicas do combustível. Os primeiros são
influenciados pelo equipamento usado e pelas condições decorridas durante o processo de
combustão, enquanto os segundos são função das propriedades intrínsecas ao combustível. As
condições necessárias para que ocorra a combustão completa são:
Fornecimento de ar para que ocorra a total oxidação do combustível;
Temperatura elevada para que as reações possam ser processadas;
Tempo de residência longo o suficiente a temperaturas elevadas;
Turbulência que favoreça a mistura entre o combustível e o ar.
No entanto, durante as aplicações do processo de combustão, estas condições não são possíveis
de ser atingidas na sua plenitude e em simultâneo [27]. O resultado é a combustão incompleta,
dando origem a produtos parcialmente oxidados. A combustão incompleta origina CO, HC,
alcatrões, hidrocarbonetos policíclicos aromáticos, entre outros, que são formados durante o
processo de volatilização. A composição e a quantidade destas emissões são determinadas pela
temperatura, quantidade de oxigénio e composição do combustível.
Durante a oxidação completa da biomassa, origina-se sempre CO2, H2O e NOx. No último incluem-
se os poluentes NO e NO2, sendo que o primeiro se forma em maior quantidade. A formação de
CO2 deve-se à oxidação do carbono presente no combustível e é o principal produto de
combustão de todos os combustíveis de biomassa. O dióxido de carbono é responsável pelas
emissões causadoras do efeito de estufa. No entanto, quando se trata da combustão da biomassa
considera-se que as suas emissões são neutras.
A formação de NO é devida à oxidação do azoto molecular presente no ar de combustão, podendo
também ser devida à oxidação do azoto presente no combustível (mecanismo do combustível) se
na composição deste existir azoto. A formação de NO devido à presença de azoto no combustível
é o principal mecanismo de geração de NO na combustão da biomassa. Na queima dos
combustíveis fósseis o mecanismo de combustível é responsável por 75%-80% das emissões
totais de NO, sendo o resto atribuído ao mecanismo térmico [28]. Na combustão da biomassa este
valor é ainda mais elevado, pois as temperaturas no interior da câmara são bastante inferiores
àquelas que se atingem na combustão do carvão.
A formação de NO via mecanismo do combustível ocorre devido à libertação dos radicais HCN,
presentes nos voláteis, que originam radicais NHi (i = 0,1, 2, 3), que vão reagir com as moléculas
de O2 e de NO formando NO e N2, respetivamente [26].
17
Este processo de formação de NO é fortemente dependente da fração mássica de azoto no
combustível e da concentração de O2 local, sendo a influência da temperatura muito pouco
significativa.
Os processos de formação de NO a partir do azoto presente no ar de combustão são três e
encontram-se descritos seguidamente.
Mecanismo térmico
Este mecanismo é dominante a altas temperaturas (acima de 1800 K) numa vasta gama de razões
de equivalência . O azoto no ar de combustão reage com os radicais O, formando NO a altas
temperaturas. A quantidade de NO formada aumenta com o aumento da temperatura, com a
concentração de O2 e com o tempo de residência [16].
Mecanismo imediato
O azoto proveniente do ar de combustão reage com hidrocarbonetos formando HCN e CN que
depois são oxidadas formando NO. Este mecanismo é apenas importante em zonas de condições
ricas e é muito dependente da concentração local de hidrocarbonetos. Este mecanismo tem pouca
expressão na combustão da biomassa, em contraste com o que sucede durante a combustão do
carvão.
Mecanismo com óxido nitroso como intermédio
Este mecanismo de formação de NOx é importante em chamas pobres de pré mistura (<0,8),
caraterizadas por baixas temperaturas. As reações que regem este mecanismo estão descritas
seguidamente:
Para além das emissões de NOx que têm uma forte dependência da composição da biomassa,
outros poluentes gasosos podem ser formados devido aos elementos presentes no combustível,
tais como SO2, metais pesados e HCl. Durante a combustão, todo o enxofre presente no
combustível reage com o O2, formando SO2 e uma pequena parcela de SO3. No entanto, na
N presente no combustível HCN NHi
NO
O2
N2
NO
NO2 + N2 + M N2O + M
H + N2O NO + NH
NO + N2O NO + NO
18
maioria dos casos, estas emissões podem ser desprezadas devido ao baixo teor de S presente na
biomassa.
O processo de formação dos poluentes CO é muito semelhante ao processo de formação de HC e
segue os mesmos princípios. Durante a fase da gaseificação os hidrocarbonetos são volatilizados,
misturam-se com o ar e são oxidados numa chama. A combustão incompleta destes pode ocorrer
em zonas muito ricas ou muito pobres da chama de difusão criada durante a combustão dos
compostos voláteis. Nas zonas muito ricas a combustão incompleta é devida à fraca mistura entre
os fragmentos de combustível e o ar que alimenta a chama, diminuindo o tempo de residência
destes na câmara de combustão, impossibilitando a combustão completa [26]. Nas zonas muito
pobres pode também ocorrer a queima incompleta, devido a à combustão muito lenta causada
pela concentração de oxidante muito elevada, o que reduz a temperatura de combustão. Deste
modo, a oxidação do combustível é somente parcial, tendo como consequência a formação de
produtos não oxidados [26].
As emissões de CO são especialmente importantes no arranque e paragem das caldeiras, como
foi verificado por Buddeker [25], tendo sido já desenvolvidos sistemas de aquecimento de pellets
combinados com aquecimento solar, com o intuito de reduzir a operação intermitente do
funcionamento da caldeira [29]. No entanto, é importante ressaltar que para a caldeira em estudo
as emissões de CO foram sempre significativas, mesmo quando trabalhava em regime
estacionário.
2.4. Partículas
Nas secções anteriores foram discutidos os poluentes gasosos emitidos durante a combustão
completa e incompleta da biomassa. No entanto, outros poluentes não gasosos resultam do
processo de queima. As partículas são um poluente que deriva da vaporização e posterior
condensação da matéria inorgânica presente nas cinzas, e também da combustão incompleta do
combustível (fuligem). Estas representam uma fração muito elevada das emissões resultantes
durante a queima da biomassa. Estes poluentes afetam não só a saúde humana, como também
os próprios sistemas de queima, criando depósitos e aglomerações no equipamento que podem
levar à ruina deste e à subsequente deterioração do processo de combustão. O seu processo de
formação é complexo, e depende de fatores inerentes ao combustível mas também de fatores
externos e é ainda alvo de muita pesquisa.
Quando comparada com os combustíveis fósseis, a biomassa apresenta grandes diferenças nas
suas propriedades, que produzem impacto na formação de partículas durante a sua combustão.
Uma destas diferenças já foi enunciada previamente e reside no facto de a biomassa ter um teor
de matéria volátil muito elevado, tendo por outro lado um baixo teor de resíduo carbonoso.
19
Outra diferença importante está no baixo poder calorífico da biomassa, se comparada com os
combustíveis fósseis. O poder calorífico da madeira é aproximadamente de 20 MJ/kg enquanto o
do carvão é de 30 MJ/kg, tendo como consequência que a temperatura de combustão da
biomassa seja inferior à dos combustíveis fósseis. Finalmente, as cinzas de biomassa possuem
um elevado teor de matéria volátil, em especial de potássio, sendo que uma grande fração desta
vaporiza durante a combustão e forma partículas pequenas [30].
No entanto, a formação de partículas provenientes da combustão do carvão foi já alvo de intenso
estudo, [31], [32], [33], [34], havendo muitas semelhanças entre o processo de formação de
partículas durante a sua combustão e a de combustíveis sólidos de biomassa. Assim sendo, é
possível utilizar os fundamentos teóricos relativos à formação de partículas do carvão, no estudo
das partículas geradas durante a queima da biomassa.
A concentração de partículas depende da sua composição química e da eficiência da combustão,
sendo por isso importante estudar os processos de formação de partículas derivadas da
combustão completa e incompleta e os principais parâmetros de que elas dependem.
2.4.1. Processos de formação de partículas e de cinzas
As partículas emitidas durante o processo de combustão que possuam um diâmetro aerodinâmico
inferior a 1 m são designadas aerossóis. Durante a sua formação estas partículas de sofrem
processos internos que podem causar tanto o aumento do seu tamanho, como também podem
promover a fragmentação de partículas maiores. Estes fenómenos são complexos e dependem de
fatores externos, tais como a temperatura e pressão. O presente tópico debruça-se sobre os
principais mecanismos que participam no processo de desenvolvimento das emissões de
partículas.
A nucleação de aerossóis consiste na formação de novas partículas diretamente da fase gasosa,
originando novos núcleos destas. Este processo altera tanto o número de aerossóis, como a
concentração mássica destes. Este fenómeno é espontâneo e aleatório, e ocorre quando o meio
se torna sobreaquecido ou subarrefecido.
Os mecanismos que levam ao crescimento dos aerossóis envolvem a condensação heterogénea
de vapores, coagulação, aglomeração e reações superficiais [30]. Durante a coagulação a
partícula aumenta de dimensão devido à adesão ou colisão entre partículas, ocorrendo a
diminuição do seu número, sem alterar o volume ou massa total. A coagulação de partículas é
favorecida pelo aumento da temperatura de combustão e pode ser devida ao movimento relativo
entre elas, ou a forças externas, como a gravidade ou forças elétricas.
A condensação é um fenómeno no qual vapores se condensam sobre partículas já existentes,
aumentando a dimensão destas sem formação de novos núcleos. O crescimento de partículas a
20
partir da condensação heterogénea depende do tamanho delas, mas também da razão de
saturação, tendo lugar quando a concentração de partículas é elevada.
As partículas podem também sofrer mecanismos de redução de tamanho, sendo o mais comum a
sua fragmentação, processo que dá origem a muitas partículas pequenas. Fenómenos de
eliminação de partículas, devido a impactos e deposição sobre superfícies adjacentes são também
recorrentes [35].
As partículas são classificadas como sendo primárias ou secundárias. As primeiras são emitidas
diretamente da zona de combustão para a atmosfera. Contrariamente às partículas primárias, as
secundárias são formadas na pluma dos gases de exaustão ou já na atmosfera. Neste estudo o
objetivo centrou-se nas partículas primárias, formadas durante o processo de combustão, e
libertadas diretamente da câmara de combustão para a atmosfera.
A Figura 2 mostra o percurso de transformação das partículas primárias, que se podem dividir em
partículas volantes finas e grosseiras, durante a combustão da biomassa. As primeiras têm
dimensões reduzidas e têm origem a partir de dois percursores diferentes: a partir do material
facilmente vaporizável presente nas cinzas da biomassa e a partir de matéria orgânica não
oxidada, denominada por fuligem. Estas últimas são constituídas essencialmente por carbono
elementar. As partículas grosseiras apresentam maiores dimensões (diâmetro> 10 m) e resultam
de cinzas residuais que foram removidas da partícula incandescente que permaneceu no
queimador e foram transportadas nos gases de combustão.
As partículas formadas durante a queima dos combustíveis sólidos ou líquidos apresentam dois ou
três modos distintos na sua distribuição mássica, sendo o modo dominante o correspondente às
partículas finas. O segundo modo corresponde às partículas grosseiras e apresenta geralmente
uma baixa concentração mássica de partículas [36].
Esta secção debruçar-se-á sobre os processos de formação de partículas a partir da vaporização
dos elementos inorgânicos presentes nas cinzas. A teoria referente às partículas originadas a
partir da combustão incompleta (fuligem) será abordada na secção 2.4.2.
21
Figura 2. Mecanismos de formação de partículas primárias durante a combustão da biomassa em grelha fixa [36].
As cinzas são a matéria inorgânica do combustível e são sempre um produto da combustão,
independentemente de esta ser completa ou incompleta [19]. Uma pequena fração dos compostos
inorgânicos que constituem as cinzas é vaporizada durante a pirólise, no entanto a maioria é
libertada durante a fase de combustão do resíduo carbonoso formando depois as cinzas volantes
finas. No entanto, existem também compostos não voláteis (Ca, Si, Mg, Fe, Al), que permanecem
no fundo do queimador, formando as cinzas de fundo. Uma fração deste material é arrastada pelo
escoamento, originando as cinzas grosseiras volantes.
Contudo, os mecanismos de formação de cinzas durante a combustão da biomassa precisam
ainda de maior investigação, sendo necessário recorrer a estudos já realizados e referentes à
formação de cinzas durante a combustão do carvão.
O carvão é, com já referido, um combustível muito diferente da biomassa, devido ao seu longo
processo de formação, que envolve um aumento de pressão e calor contínuo ao longo do tempo.
Contudo, por serem ambos um combustível sólido, partilham alguns mecanismos de
transformação das cinzas, pelo que será exposta seguidamente o processo de formação de cinzas
durante a combustão de combustíveis sólidos.
22
As cinzas volantes classificam-se de acordo com o seu diâmetro aerodinâmico, variando não só
no seu processo de formação, mas também na própria composição. As cinzas volantes que
possuem um diâmetro aerodinâmico inferior a 1m denominam-se cinzas volantes finas, enquanto
as que apresentam um diâmetro aerodinâmico superior a 10m, são as cinzas volantes grosseiras
[36].
A Figura 3 mostra o processo de formação de partículas originadas a partir do material inorgânico
existente nas cinzas. Estas diferenciam-se em cinzas volantes finas e cinzas volantes grosseiras.
A matéria inorgânica presente na biomassa que vaporiza facilmente, e que experimenta mais tarde
condensação ou nucleação, origina as cinzas volantes finas. Durante a combustão do resíduo
carbonoso ocorre a vaporização de metais alcalinos presentes nas cinzas (K, Ca) que sofrem
reações com outros vapores formando compostos alcalinos. K, Cl e S são os elementos
predominantes nestas partículas, sendo por isso os mais relevantes. As suas temperaturas de
evaporação são, respectivamente, de 700 ºC, abaixo de 500 ºC e 500 ºC. Praticamente todo o Cl e
S, e uma grande quantidade de K, são vaporizados durante a combustão [9], [37].
Fortes evidências revelaram que o cloro aumenta a volatilidade dos metais alcalinos, reagindo
com eles, formando compostos alcalinos como cloretos ou hidróxidos alcalinos, que são
posteriormente libertados na fase gasosa. A espécie dominante é o KCl, e a sua vaporização
aumenta quando a temperatura de combustão aumenta de 800 para 1100 ºC. A contribuição de
metais alcalino-terrosos, Mg, e de metais pesados (Zn, Pb) para a formação de aerossóis é de
menor relevância. [38], [9].
Figura 3. Processo de formação de partículas a partir dos elementos presentes nas cinzas [16].
Cl e pequenas quantidades de K são libertadas nas primeiras fases da combustão, isto é, na
pirólise. A libertação de Cl dá-se em duas fases distintas, a temperaturas diferentes.
23
Aproximadamente 60% do teor de Cl é libertado quando a temperatura de pirólise aumenta de 200
para 400 ºC, voltando a ser novamente evaporado somente a temperaturas entre 700 a 900 ºC.
Quando a temperatura se reduz para ≈ 1000 ºC formam-se os sulfatos de potássio (K2SO4),
através da sulfatação de hidróxidos alcalinos (KOH) e cloretos alcalinos (KCl). O processo de
sulfatação de KCl liberta Cl, o qual pode reagir cataliticamente com a superfície do permutador de
calor pelo mecanismo de oxidação ativa [1].
Posteriormente, os sulfatos alcalinos formados podem ficar supersaturados, devido a uma menor
pressão de vaporização dos compostos, originando novas partículas por nucleação. A fracção de
potássio que não forma sulfatos dá origem aos compostos KCl ou K2CO3. Estes podem condensar
sobre partículas já existentes (fuligem ou metais refratários), a partir de condensação heterogénea
formando pequenas partículas. Estas podem ser constituídas por um núcleo de material orgânico
e a sua superfície é constituída por elementos alcalinos. O teor de cloretos de potássio, presentes
nas partículas finas, aumenta com a diminuição do diâmetro das partículas.
A formação de cinzas volantes finas por nucleação ou por condensação heterogénea de vapores
noutras já existentes são processos que competem entre si [39]. Quanto maior for a área
superficial das partículas já existentes mais difícil se torna a nucleação e é favorecido o
crescimento de partículas via condensação.
O comportamento da vaporização dos compostos presentes nas cinzas é extremamente
influenciado pelas características da biomassa. O efeito do aumento da concentração de cinzas no
combustível é seguramente um fator marcante no aumento das emissões de partículas. A razão
deste fenómeno é devida à vaporização dos elementos voláteis presentes nas cinzas, que é tanto
maior quanto maior for a concentração de cinzas no combustível.
A maior facilidade dos elementos metais alcalinos se volatilizarem depende também do teor de Si
no combustível, pois a presença elevada desta reduz a quantidade de alcalinos volatilizados na
fase gasosa. Do mesmo modo constatou-se que o teor de Cl no combustível afeta o
comportamento de volatilização dos alcalinos. Assim, o aumento do teor de Cl conduz a um
aumento da concentração das partículas finas, pois os metais alcalinos contribuem de uma forma
muito generosa para as emissões de partículas finas [37]. A concentração de Cl dita a quantidade
de alcalinos vaporizados durante a combustão, mais do que o próprio teor de alcalinos [17].
Os elementos existentes no resíduo carbonoso que não volatilizam e permanecem na grelha
consistem particularmente em material não volátil (Ca, Mg, Si). Podem, contudo, também ser
constituídas por material volátil que não foi libertado (K, Na e Al) [38], [17]. Estes compostos
fundem e coalescem dentro e sobre a partícula incandescente, dependendo da temperatura e
composição química das partículas [1]. O resultado são partículas de cinzas residuais com uma
24
vasta gama de composição, tamanho e forma diferentes, fatores que estão relacionados com o
material que lhes deu origem. Dependendo da sua densidade, tamanho, tecnologia e velocidade
dos gases de combustão, uma fração das partículas residuais irá ser arrastada pelo escoamento,
formando as cinzas volantes grosseiras, que podem sofrer aglomeração e fundir umas nas outras
ou fragmentar em pequenos pedaços. Sucede assim que, por vezes, frações de combustível não
queimado que são arrastados pelo escoamento originam também as cinzas volantes grosseiras
[30].
As temperaturas máximas atingidas em sistemas de leito fixo de biomassa são da ordem de 1000-
1200 ºC. Dependendo do tipo de material que constitui as cinzas e das temperaturas atingidas na
zona de queima das partículas de combustível, pode ocorrer a fusão das cinzas constituintes do
material que permanece no queimador, acontecendo originar aglomerados de cinzas de grandes
dimensões. Tal facto pode interferir com a distribuição do ar de combustão que se mistura com o
combustível, afetando o processo de combustão.
Alguns dos constituintes da matéria inorgânica que dão origem às cinzas são nutrientes essenciais
para o crescimento de plantas, e as suas cinzas podem ser usadas para o crescimento de novas
plantas [30]. Os países que utilizam a queima de biomassa para geração de energia, tais como a
Finlândia, Suécia, Dinamarca, Áustria e Alemanha têm já legislações que favorecem e controlam a
reciclagem das cinzas para deposição destas em florestas e áreas destinadas à agricultura [40].
No entanto, a quantidade de cinzas reciclada é muito menor que a produzida durante a combustão
da biomassa, apesar de este ser um problema mais relevante nas cinzas volantes.
As cinzas volantes, para além de contribuírem fortemente para as emissões de partículas, são
também causadoras de fenómenos de depósitos e aglomerações (fouling e slagging na literatura
inglesa) nas superfícies dos sistemas de combustão, podendo causar a sua ruína.
Depósitos é o termo relacionado com as camadas de material que se encontram alojadas nas
superfícies do equipamento de transferência de calor. Os depósitos são formados a partir da
matéria inorgânica do combustível, dos quais os metais alcalinos, potássio e sódio apresentam a
concentração mais elevada. Este fenómeno ocorre para temperaturas inferiores a 1000 ºC, e é um
processo relativamente lento, em que o crescimento dos depósitos de cinzas se dá ao longo de
dias. Com a diminuição da temperatura eles tendem a ser menos extensos e enfraquecem. Os
depósitos criam uma resistência adicional à transmissão de calor, aumentando a temperaturas dos
gases de combustão. Devido à natureza dos elementos químicos que participam neste fenómeno,
o potencial de ocorrência de corrosão é elevado.
Aglomerações é o termo associado aos depósitos nas paredes da caldeira ou outras superfícies
expostas ao calor por radiação. Este fenómeno ocorre para temperaturas da ordem dos 800 ºC e é
25
um processo rápido, que se desenvolve numa questão de horas, envolvendo processos de fusão e
sinterização de cinzas volantes.
2.4.2. Partículas resultantes da combustão incompleta
As partículas resultantes da combustão incompleta dividem-se em fuligem, que consiste
essencialmente em carbono elementar, e partículas orgânicas condensadas (alcatrões). O
processo de formação da fuligem é complexo e não é ainda totalmente compreendido. A sua
constituição é essencialmente de carbono sólido elementar, e a sua génese consiste numa
sucessão de várias reações químicas.
Em grandes unidades, como centrais térmicas e sistemas de aquecimento urbano, as emissões de
partículas são compostas somente por material proveniente das cinzas do combustível, pois a sua
elevada área permite a existência de uma boa aerodinâmica no interior da câmara, sendo por isso
as emissões devidas à combustão incompleta menores.
Os processos químicos que levam à formação e crescimento das partículas de fuligem durante a
combustão da biomassa encontram-se esquematizados na Figura 4. A formação de fuligem ocorre
cedo na chama, e a sua oxidação dá-se muito rapidamente em zonas quentes da frente de chama,
sendo os agentes oxidantes envolvidos a molécula de O2 e o radical OH.
Este processo inicia-se aquando da libertação de voláteis no momento em que fragmentos de
hidrocarbonetos abandonam a partícula de combustível, em zonas localmente ricas da chama,
onde a concentração de O2 é baixa. Estes fragmentos fracionam-se em pedaços menores que
reagem entre eles e com os gases circundantes, formando anéis aromáticos. Julga-se que a estes
anéis aromáticos se juntam grupos alquilos, formando-se hidrocarbonetos aromáticos
polinucleares (PAH na literatura inglesa), que crescem até formarem a fuligem.
Os fenómenos que levam ao crescimento destas partículas são inicialmente o crescimento
superficial e a coagulação. No entanto, quando a coagulação já não é possível devido à falta de
crescimento superficial, ocorre a aglomeração de fuligem. As partículas de fuligem resultantes são
então formadas por pequenos agregados de partículas esféricas.
26
Figura 4. Representação esquemática do processo de formação da fuligem [19].
Pesquisas anteriores sugerem que a nucleação das partículas de fuligem, no carvão, ocorre na
envolvente da partícula em combustão [36]. Os voláteis ao serem libertados do resíduo carbonoso
originam um escoamento exterior a este, que devido a fenómenos de impulsão origina uma esteira
a jusante da partícula de resíduo carbonoso [35]. A formação da fuligem ocorre ao longo do
escoamento, e aglomeram-se na esteira deste, tal como se mostra na Figura 5.
Figura 5. Representação esquemática da formação de fuligem na chama envolvente do resíduo carbonoso durante
a combustão do carvão [36].
27
Os principais parâmetros que afetam a taxa de oxidação da fuligem são a concentração de
oxigénio e a temperatura, sendo que as condições ideais para a sua geração são as regiões muito
ricas. No entanto, se a temperatura decrescer, a importância da concentração de oxigénio é
menor.
Existe assim uma quantidade de adição de ar ótima, pois quando a quantidade de ar é elevada, a
temperatura diminui, provocando o decréscimo da taxa de oxidação da partícula de fuligem,
reduzindo o seu tempo de residência para que ocorra oxidação completa e contribuindo para o
incremento das emissões de aerossóis [36].
Tanto o teor de metais alcalinos como o de material volátil têm influência na formação de fuligem.
A formação de fuligem é afetada pela presença de metais alcalinos, pois estes podem ter uma
ação catalítica na oxidação da fuligem, aumentando a sua taxa de oxidação. A quantidade de
matéria volátil tem também influência na formação de fuligem, tendo-se verificado que, para o
carvão, quanto maior o seu teor em voláteis maior a quantidade de fuligem formada.
2.4.3. Outros fatores na emissão de partículas
A redução de partículas tem sido alvo de intensos estudos, em especial durante o processo de
combustão, uma vez que, devido aos custos elevados, os sistemas de limpeza gasosos não são
uma boa opção para as unidades de pequena escala, [36]. Para que o progresso do estudo da
diminuição das emissões de partículas seja alcançado, é necessário o conhecimento dos fatores
que influenciam a sua formação e o seu desenvolvimento.
São vários estes fatores, sendo que muitos deles necessitam ainda de um estudo mais
aprofundado. Entre os principais, estão a temperatura dentro da câmara de combustão, as
propriedades do combustível, a aerodinâmica da combustão e a estratégia de fornecimento de ar
[36].
Temperatura da câmara de combustão
A temperatura tem um efeito contraditório nas emissões de partículas. O aumento da temperatura
no interior da câmara promove a taxa de vaporização do material inorgânico na zona de queima,
aumentando as emissões de cinzas volantes. Estudos anteriores sugerem que o potássio é
libertado em quantidades apreciáveis quando a temperatura excede 700 ºC, e que a sua
quantidade libertada aumenta com o aumento da temperatura, sendo que a 1150 ºC entre 50-90%
de todo o K se encontra já na fase gasosa.
Por outro lado, o aumento da temperatura diminui as emissões das partículas volantes grosseiras,
provavelmente devido a uma maior tendência destas para, com a subida da temperatura, se
fixarem às paredes da câmara, causando, contudo, a sua deposição nas paredes [16]. As
28
emissões de fuligem diminuem também, como resultado de uma maior taxa de oxidação a altas
temperaturas.
Aerodinâmica
Uma boa mistura a altas temperaturas, durante um tempo de residência adequado permite a
oxidação completa da fuligem e outros hidrocarbonetos. Pelo contrário, se o escoamento resultar
numa fraca mistura entre o ar e o combustível e existir quenching local devido às paredes mais
frias da câmara, as emissões de fuligem podem ser elevadas. Estes fenómenos são, no entanto,
mais relevantes a baixas temperaturas.
Fornecimento de ar
Johansson et al. [41] observaram que perante menores quantidades de excesso de ar ocorre um
deslocamento da distribuição da concentração mássica das partículas em direção às partículas de
maiores dimensões. Os autores concluíram que uma menor presença de excesso de ar pode ser
favorável na redução de menores partículas. Por outro lado, Kaufmann [42] afirma que a
vaporização dos elementos minerais da biomassa aumenta com o aumento da temperatura
causada pelo decréscimo do excesso de ar.
Contudo, Johansson et al. [41] reportaram igualmente que a redução do excesso de ar pode
aumentar a emissão de partículas de fuligem, sugerindo que excessos de ar reduzidos conduzem
à combustão menos completa. De facto, uma reduzida presença de excesso de ar pode afetar o
processo de combustão através da diminuição de oxidante disponível para oxidação completa do
combustível. No entanto, um excesso de ar elevado causa também um decréscimo acentuado na
temperatura, podendo congelar as reações de oxidação, conduzindo à combustão incompleta do
combustível e à formação de fuligem e acumulação de cinzas, causando uma obstrução à
passagem de ar [11].
Estratégias de fornecimento de ar têm sido implementadas para estudar o seu efeito nas emissões
de partículas. A estratégia de fornecimento de ar que tem sido alvo de maiores estudos foi o
estagiamento de ar. Esta técnica poderá ter uma influência muito positiva na formação de fuligem.
Isto porque se o carbono que não foi ainda oxidado encontrar a zona de ar secundário, ainda a
temperaturas elevadas, poderá favorecer a sua oxidação.
2.5. Recirculação dos gases de exaustão
Um dos principais métodos, e dos mais eficientes, de redução das emissões de NO é a
recirculação dos produtos de combustão, que consiste no reenvio dos produtos resultantes da
combustão novamente para a zona da chama. As suas principais vantagens são o facto de ser um
processo muito económico e que requer poucas modificações na caldeira, ao contrário das
29
modificações pós combustão, como é o caso de catalisadores, que apresentam custos muito
elevados.
A Figura 6 mostra um esquema simplificado do mecanismo deste processo. Os constituintes dos
produtos da combustão, CO2, N2 e H2O entre outros, são reintroduzidos na chama e agem como
diluentes do oxidante, o que resulta na redução da temperatura de combustão. Tal fenómeno é
devido ao calor específico (cp) dos produtos de combustão ser muito superior ao calor específico
do ar fresco. Assim sendo, para o mesmo calor libertado, quando os produtos são recirculados
aumentam o calor específico do ar de admissão na caldeira, conduzindo a um decréscimo da
temperatura no interior da câmara de combustão [43].
Uma outra consequência é que, pelo fato de haver mistura entre o ar de combustão e os gases de
exaustão recirculados, ocorre a diminuição da concentração de oxigénio na zona de reação, o que
afeta a formação de NO, pois este é fundamental na química de formação deste poluente, e
permite um maior tempo de residência de NO, visto este ser recirculado [44] [43]. Este método é
mais eficaz se a combustão ocorrer a temperaturas altas, pois o decréscimo de temperatura
consequente da aplicação de RGE inibe a formação de NO via mecanismo térmico.
Apesar de efetivamente reduzir as emissões de NO e de ser um método bastante económico de
redução de NO apresenta algumas desvantagens, como o aumento da instabilidade da chama,
menor eficiência da combustão e aumento das emissões de CO [45]. No entanto, estudos
anteriores provaram igualmente que este método é eficaz na redução das emissões de CO, para
misturas estequiométricas, e no aumento da eficiência da combustão [46].
Figura 6. Esquema simplificado do processo de RGE.
2.6. Estagiamento de ar
O estagiamento de ar é uma outra técnica de controlo de NO muito usada em centrais elétricas a
carvão. A figura 7 mostra um esquema simplificado deste processo que consiste na criação de
uma zona rica, zona primária de combustão, que resulta numa combustão da chama menos
intensa. Posteriormente os produtos resultantes da combustão primária são novamente
queimados numa zona rica em O2 (zona de combustão secundária).
Gases de
Exaustão
Gases de Exaustão Recirculados
Combustão
Combustível
Ar de combustão
30
Esta técnica reduz as emissões de NO devido a:
Privação de O2 e menor mistura entre o combustível e o ar de combustão, inibindo a
formação de NO via mecanismo do combustível,
Temperatura da chama na zona de combustão primária menor, devido à escassez de O2,
dificultando a formação de NO via mecanismo térmico.
A aplicação desta técnica em caldeiras domésticas/pequenas não é comum, no entanto algumas
pesquisas sugerem que reduza as emissões de NO entre 40% a 70%, dependendo do conteúdo
de N no combustível e outras condições [47]. No entanto, pelo facto de a câmara de combustão
das caldeiras domésticas possuir dimensões reduzidas, a redução de NO a partir de estagiamento
de ar pode ser pouco significativa, pois a mistura entre o ar secundário de combustão e o
combustível é mais difícil de obter. Um outro problema desta técnica em pequenas instalações é
que as diminuições de NO podem ser acompanhadas de um aumento das emissões de CO e HC,
devido a uma pior mistura entre o ar secundário e os produtos da zona primária de combustão,
como resultado de maiores restrições no tamanho da câmara.
Figura 7. Esquema simplificado do processo de estagiamento de ar.
Gases de Exaustão
Ar secundário
Combustível
Ar primário Zona de
Combustão
Secundária
Zona de
Combustão
Primaria
31
3. INSTALAÇÃO EXPERIMENTAL
O trabalho experimental desenvolvido durante o processo de investigação foi realizado no
Laboratório de Combustão do Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto Superior
Técnico. A Figura 8 apresenta a instalação experimental, podendo-se visualizar a caldeira em
estado operacional.
Figura 8. Instalação Experimental.
3.1. Caldeira doméstica
Os testes foram realizados numa caldeira doméstica com uma capacidade térmica máxima de 22
kW, de ventilação forçada, cujo modelo é TERMO IDEAL CERAMIC 22 kW, do fabricante Anselmo
Cola. Estes tipos de equipamentos de combustão de biomassa estão sujeitos à norma EN
14785:2006. Tal como se mostra na Figura 9 as dimensões da caldeira são de 1204 mm de altura
(excluindo o painel de controlo), 602 mm de largura e 638 mm de profundidade, com uma tara de
210 kg. A estrutura e a câmara de combustão são constituídas por aço e ferro forjado.
32
Figura 9. Dimensões da caldeira.
A caldeira possui um circuito de água interno destinado a trocar calor com os gases de
combustão, permitindo que estes arrefeçam. Esta troca de calor é realizada num permutador de
calor situado no topo da câmara de combustão. O caudal do circuito interno de água da caldeira é
medido recorrendo a um rotâmetro convencional.
A troca de calor entre os gases de combustão e a água do circuito interno permite a libertação de
calor para o exterior, tendo assim a caldeira a função de aquecimento central. O circuito de água
interno, aquecido pelos gases de combustão, necessita trocar calor com um circuito de água
externo de forma a diminuir a sua temperatura. Para esse fim, utilizou-se um permutador de
placas, e recorreu-se a uma bomba de recirculação para promover a circulação entre o
permutador de calor intrínseco à caldeira e o permutador de placas.
As pellets são introduzidas manualmente num depósito afunilado com 45 dm3
de capacidade
máxima. No fundo do depósito encontra-se um parafuso sem fim, cuja função é o transporte das
pellets até à câmara de combustão através de uma calha ascendente. A alimentação das pellets é
do tipo vertical pelo topo.
As pellets ao serem recolhidas pelo parafuso sem fim são transportadas para uma braseira (ou
queimador) de 120 mm de diâmetro, local onde se dará a ignição do combustível. A ignição é
provocada recorrendo a uma resistência elétrica que se encontra colocada junto à braseira. A
limpeza diária do queimador é de extrema importância para garantir que a combustão tenha uma
quantidade de ar suficiente e que não haja contaminação de cinzas de testes anteriores.
33
A carga térmica é selecionada a partir do painel de comandos da caldeira, que controla o número
de rotações por minuto do parafuso sem fim, controlando assim a quantidade de pellets que
alimenta a chama a cada minuto. Um sensor de pressão controla a perda de carga de pellets por
minuto, sendo este valor lido a cada minuto num computador, ficando assim registado o valor do
consumo horário do combustível em cada ensaio.
O material que não foi queimado durante a combustão acumula-se num depósito de secção
retangular, localizado por baixo do queimador. A este componente dá-se o nome de coletor de
cinzas e antes do início de cada teste a sua limpeza é realizada.
Localizado abaixo do coletor de cinzas encontra-se um ventilador, componente da caldeira que é
responsável pelo fornecimento de ar para a combustão, realizando simultaneamente a extração
dos gases de combustão para a conduta de escape. Para que o fornecimento de ar no queimador
seja conseguido existe uma pequena folga entre o coletor e as paredes da caldeira, de forma que
o ar fornecido pelo ventilador alimente o queimador.
A caldeira não trabalha sempre em modo estacionário, na realidade existem diferentes fases
durante todo o seu processo de funcionamento, sendo cada uma caracterizada por uma diferente
velocidade de ventilação e caudal de alimentação de pellets diferente. Durante o seu
funcionamento, o painel de comandos dá a informação da fase em que a caldeira está a trabalhar.
Após ligada a caldeira inicia-se a fase de arranque. Esta é a primeira fase, caracterizada pelo
aquecimento da resistência elétrica e início do carregamento das primeiras pellets. Ocorre ainda
nesta fase o aparecimento da primeira chama. O sensor de temperatura montado na exaustão
deteta a presença de chama e o sistema fica condicionado até a deteção da primeira chama
estável [35]. Após a primeira chama estável, a temperatura deve subir até um mínimo de 54oC,
temperatura a partir da qual se inicia um nova fase: a fase em regime estacionário. Nesta fase a
bomba de recirculação é ativada, dando inicio à transferência de calor entre o circuito de água
interno e o circuito de água externo. Durante esta fase a alimentação de pellets é constante e a
temperatura deve-se situar entre 54oC e 75
oC. Se a temperatura ultrapassar este valor, a caldeira
irá reduzir o consumo de pellets, de modo a diminuir a temperatura no mínimo até 6oC. Durante
esta fase ocorre a fase de limpeza, que se repete a cada 11,5 minutos e tem a duração de 30
segundos. Durante a fase de limpeza o consumo de pellets diminui e ocorre simultaneamente o
aumento do caudal de ar de forma a remover as cinzas presentes no queimador, para evitar a
obstrução deste à passagem do ar de combustão.
Inicialmente a câmara de combustão foi projetada de forma a ser dividida em duas zonas: a zona
de ar primário e a zona de ar secundário. O ar primário é fornecido pelo ventilador que se encontra
por baixo do coletor de cinzas, e que alimenta o queimador a partir de pequenos orifícios
localizados na sua parte inferior. O ar secundário é fornecido por um tubo vertical. No entanto,
34
este método não permitia regular o rácio
pelo que o tubo que fornecia o ar secundário
foi retirado ficando assim a câmara de combustão restringida apenas à zona de combustão
primária.
A caldeira foi projetada para trabalhar exclusivamente com pellets de diferentes tipos de madeira,
que se cumpram os requisitos impostos pela norma DIN 51731, cujas características estão
listadas na Tabela 3.
Tabela 3. Propriedades dos pellets de acordo com a norma DIN 51731.
PCI mínimo 17,28 MJ/kg (4180 kcal/kg)
Massa volúmica 680-720 kg/m3
Humidade max. 10% peso
Diâmetro 6 ± 0,5 mm
Teor de cinzas max. 1,5% peso
Comprimento min. 6 mm – max. 30 mm
Composição madeira 100% não tratada sem aditivos ou resíduos
Salienta-se que o uso de pellets cujo diâmetro seja diferente do especificado pode conduzir a
problemas de mal funcionamento da caldeira, devido a que a velocidade de rotação do parafuso
sem fim foi especificada para o diâmetro das pellets especificados acima.
3.2. Modificações realizadas na caldeira de combustão
Recirculação dos gases de combustão
Para o estudo do efeito que o RGE tem na diminuição das partículas foi necessário efetuar
mudanças ao esquema de funcionamento normal da caldeira. A passagem de ar circulante na
conduta de ar de admissão encontra-se separada da conduta de passagem dos gases de escape
por uma válvula, que se encontra fechada durante os testes sem recirculação. Durante os testes
com RGE a quantidade de ar admitida é controlada por uma válvula, que se encontra totalmente
aberta quando não se dá a recirculação.
A Figura 10 mostra o esquema das modificações efetuadas na caldeira quando se aplicou RGE.
Quando se implementa a recirculação dos gases de combustão é necessário a abertura total da
válvula que separa os gases de exaustão do ar admitido. A válvula que permite a introdução de ar
de combustão é parcialmente fechada, permitindo assim a entrada de uma percentagem de gases
de exaustão na conduta de admissão de ar. Assim, uma fração dos gases de combustão é
introduzida na conduta de admissão de ar, circulando agora uma mistura entre o ar e os produtos
de combustão, mistura esta que consiste no oxidante.
35
Para que a percentagem de produtos de combustão recirculados seja a desejada é necessário
inicialmente monitorizar com o auxílio de uma sonda arrefecida a água a percentagem volumétrica
de CO2 presente nos gases de exaustão. O funcionamento e a estrutura da sonda são explicados
na secção seguinte, Métodos experimentais, estando a estrutura da sonda esquematizada na
Figura 15. De forma a obter a percentagem pretendida de CO2 na conduta de admissão
multiplicou-se a percentagem volumétrica de CO2 pela percentagem de RGE desejada. O valor
resultante é ajustado através da válvula de fornecimento de ar de combustão e lido a partir dos
analisadores de gases, tendo-se para tal colocado a sonda na conduta de admissão de ar.
Figura 10. Esquema da alteração realizada na caldeira para testar o efeito de RGE.
Estagiamento de ar
Para criar uma zona secundária de combustão, usou-se uma estrutura de aço inoxidável com a
forma apresentada na Figura 12 por onde escoa o ar comprimido, fornecido por um compressor.
Um outro rotâmetro convencional mediu o caudal de ar injetado, sendo o seu ajuste controlado
manualmente pela abertura ou fecho da válvula responsável pelo fornecimento do ar secundário.
Desta forma a razão
desejada foi controlada.
A estrutura por onde escoa o ar secundário apresenta orifícios ao longo de toda a sua forma.
Assim, o ar secundário circulante alimenta a chama diretamente, a partir dos orifícios, formando
jatos de ar, como mostra a Figura 11. Estes jatos de ar secundário fazem um angulo de 45º com a
vertical, tendo sido esta orientação definida manualmente. Esta orientação foi a única testada.
A quantidade de ar total fornecido manteve-se constante, sendo o ar primário fornecido pelo
ventilador da caldeira. A quantidade de ar primário fornecido é função do aumento do ar
secundário e é um parâmetro controlado pela própria caldeira.
Ar+
produtos decombustão
Ar
320
25
0
Pellets
Dimensões em mm
Profundidade = 180
Coletor de cinzas
Gases de exaustão
36
O ar primário ao ser injetado por baixo da grelha promove o aquecimento e secagem do
combustível, iniciando a libertação da matéria volátil e sua combustão em condições muito ricas.
Na zona secundária, acima do queimador, ocorre a combustão da matéria volátil em condições
com um teor de O2 elevado [11].
Figura 11. Esquema da alteração realizada na caldeira para testar o efeito de estagiamento de ar.
Figura 12. Dispositivo utilizado para estagiamento de ar.
Ar primário
Ar secundário
Ar secundário
Pellets
Orifícios por onde
escoa o ar secundário
37
3.3. Métodos experimentais
A Figura 13 mostra o esquema de toda a instalação experimental. Uma bomba extrai a amostra
gasosa dos gases de exaustão, recolhida por uma sonda, que atravessa um circuito fechado de
remoção de humidade e filtragem de partículas, bombeando a amostra até aos analisadores. A
humidade presente na amostra dos gases de combustão é removida por um condensador e
seguidamente em gel de sílica. A amostra já seca passa então por um filtro de algodão que
remove partículas residuais, chegando aos analisadores uma amostra limpa e seca. Chega assim
aos analisadores um caudal de amostra constante de gases de combustão. Os analisadores
fornecem a concentração das espécies gasosas em percentagem volumétrica e em base seca.
Durante a recolha de partículas um filtro foi usado, de forma a capturar as mesmas, para o seu
estudo posterior.
Figura 13. Esquema da instalação experimental.
Medição de temperatura
Para a medição da temperatura à entrada (T1) e saída (T2) da água da câmara, bem como da
temperatura dos gases de combustão (T3) foram usados três termopares do tipo K, cujo material é
constituído por Ni-Cr e Ni-Al. Estes termopares têm como vantagem o seu baixo custo e são
indicados para a medição de temperaturas abaixo de 1000 ºC. Os sinais analógicos dos
termopares são lidos num computador, sendo convertidos através de uma placa de conversão
A/D, e os valores registados a cada segundo.
Medição de espécies gasosas
Para cada tipo de espécie gasosa é necessário usar um analisador apropriado, cada um com um
princípio de funcionamento diferente. A Tabela 4 descreve o tipo de analisador para as cinco
espécies gasosas medidas, e o princípio de funcionamento de cada um.
Gases deexaustão
Rede deabastecimento
de água
Pellets
Termopares tipo K
Analisador de HC
Analisador deCO e CO2
Analisador deNOx
Analisador deO2
Ar
Balança Gel de silicaCondensador
Filtro dealgodão
Bombadiafragma
Garrafas decalibração
Sonda
LPI3
Entradade água
Saídade água
12 bit A/D
BOILER
T1
T2T3
220 V
RS 232
38
Tabela 4. Características dos analisadores utilizados na medição da concentração das espécies químicas.
Espécie gasosa Analisador Princípio de funcionamento
O2 Horiba
Modelo CMA-311A
Paramagnetismo
CO2 HORIBA
Modelo CMA-311 A
Não dispersiva de
infravermelhos
CO Horiba
Modelo CMA-311 A
Não dispersiva de
infravermelhos
NOx Horiba
Modelo CLA-510 SS
Quimiluminescência
HC Amluk
Modelo FID E 2020
Deteção por ionização de
chama
A recolha das amostras gasosas foi conseguida com o auxílio de duas sondas diferentes, ambas
de aço inoxidável: uma que se coloca no tubo de escape, no eixo de simetria deste, a uma
distância vertical elevada da secção de entrada da conduta de exaustão de modo a evitar
turbulência do escoamento e de forma a permitir a recolha de gases com uma quantidade de
sujidade menor. Esta sonda permite a recolha de gases e de partículas, e apresenta uma secção
de entrada estreita de forma a garantir uma velocidade de escoamento elevada. A sonda
encontra-se acoplada com o impactor que permite a recolha de partículas, como mostrado na
Figura 14.
Figura 14. Sonda acoplada com impactor LPI para recolha de gases e de partículas.
Uma outra sonda, arrefecida a água (ver Figura 15), é também colocada na conduta de exaustão,
a uma distância de 0,75 m da secção de entrada da conduta de exaustão. Esta é também
colocada na conduta de admissão do ar, de forma a medir a quantidade de produtos de
combustão existentes neste quando se realizam os ensaios com RGE.
A sonda arrefecida a água é constituída por um tubo interior, de diâmetro igual a 2 mm, por onde
circulam os gases. A envolver o tubo interior estão dois tubos concêntricos, por onde escoa um
circuito de água destinado a arrefecer os gases. As dimensões da sonda encontram-se
representadas na Figura 15.
39
Figura 15. Representação esquemática da sonda responsável pela amostragem de gases e suas dimensões [1].
Medição de partículas
No presente trabalho a captura de partículas realizou-se recorrendo a um impactor de baixa
pressão de três estágios, LPI (Low Pressure Impactor), mostrado na Figura 14, que filtra as
partículas e as distingue em três gamas diferentes de tamanho: PM < 2,5 µm, 2,5 < PM < 10 µm,
PM > 10 µm. Os filtros usados para captura de partículas são feitos de microfibra de quartzo, do
fabricante Munktell e possuem um diâmetro de 47 mm.
As amostras gasosas e de partículas foram realizadas em simultâneo e tiveram a duração de uma
hora. A sonda que recolhe as amostras gasosas e de partículas foi colocada no eixo central, no
topo, do tubo de exaustão, na posição horizontal, tal como mostra a Figura 14. As partículas ficam
depois retidas no LIP. A amostragem das partículas deve ser isocinética (a velocidade da amostra
na entrada do bocal da sonda é igual à velocidade do escoamento dos gases de exaustão), de
forma a evitar desvios das linhas de corrente, uma vez que as partículas apresentam diferentes
dimensões [1].
O princípio de operação do impactor encontra-se ilustrado na Figura 16. O escoamento de
partículas é recolhido pela sonda com uma velocidade elevada, e é direcionado contra uma placa
plana, denominada de placa de impacto. Esta placa força o escoamento a contorná-la, fazendo um
angulo de 90º. As partículas cuja inercia é superior a um determinado valor não conseguem
prosseguir com o escoamento e colidem na placa [19].
Dá-se o nome de impactor em cascata aos impactores compostos por diferentes estágios
individuais de impacto. Cada estágio do impactor representa uma determinada gama de tamanho
de partículas, o que é conseguido diminuindo a secção de passagem do escoamento de ar. As
partículas superiores a uma determinada dimensão são recolhidas na placa de impacto. Aquelas
que apresentam dimensões menores do que as que foram recolhidas no estágio anterior
prosseguem e são recolhidas no estágio ao qual corresponde o seu tamanho.
As emissões de partículas serão aqui discutidas de acordo com a sua concentração mássica e
distribuição mássica de acordo o seu tamanho. A primeira refere-se à massa de partículas por
40
unidade de volume dos gases de exaustão, enquanto a segunda é a concentração mássica
distribuída ao longo do tamanho das partículas [41].
Figura 16. Princípio de funcionamento do LPI [19].
De forma a evitar a condensação no interior do impactor usou-se um casaco de aquecimento do
modelo Winkler WOTX1187, usado durante a execução da experiencia. O seu aquecimento é
conseguido a partir da corrente elétrica, e a temperatura atingida é de 150 ºC.
De forma a garantir a ausência de humidade nos filtros, é necessário introduzir estes numa estufa
a uma temperatura de 80ºC durante aproximadamente uma hora antes do início de cada teste.
Após este período de tempo realiza-se a pesagem os filtros sem partículas numa balança digital,
com sensibilidade de 0.01 g. Após a sua pesagem, os filtros são colocados no impactor e
encontram-se preparados para a realização do teste. No final de cada deste os filtros são
novamente colocados na estufa, aproximadamente por uma hora de forma a retirar qualquer
humidade residual. Fina a secagem dos filtros com partículas, estes são novamente pesados. O
valor registado quantifica a massa de partículas em cada estágio. Este valor permite então
determinar a concentração mássica de partículas, isto é, a concentração de partículas por m3 de
gases de exaustão (kg/Nm3).
Medição do caudal de água do circuito interno
O caudal de água que circula no circuito interno da caldeira é medido com 0 auxílio de um
rotâmetro convencional. A escala deste é percentual, variando entre 0% e 100% e apresentando
uma incerteza de 0,5%.
41
4. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
4.1. Características do combustível
As pellets utilizadas durante todo o trabalho experimental foram produzidas a partir de resíduos da
indústria da transformação da madeira (serradura de pinho). Este tipo de pellets é o mais comum
no mercado e foram produzidos pela empresa Vimasol, situada em Guimarães. A Tabela 5 indica
as principais propriedades físicas e químicas das pellets utilizadas. A análise elementar e a análise
imediata foram realizadas pelo Laboratório de Análises do Centro de Química Estrutural do
Instituto Superior Técnico.
Tabela 5.Propriedades das pellets utilizadas.
4.2. Condições de operação da caldeira
As condições de operação da caldeira durante os testes realizados com RGE estão listadas na
Tabela 6. Salienta-se que as variações de carga térmica implicam também uma variação no
excesso de ar (caracterizado pelo parâmetro λ), e consequentemente na concentração de O2 nos
gases de exaustão. Esta situação resulta do fato de a velocidade de rotação do ventilador da
Parâmetro Valor
Analise Elementar (% wt, daf)
Carbono 46.0
Hidrogénio 6.2
Azoto 0.5
Enxofre < 0.01
Oxigénio 47.3
Analise Imediata (% wt, ar)
Voláteis 80.5
Carbono fixo 10.9
Humidade 7.3
Cinzas 1.3
Análise às cinzas (wt% db)
SiO2 20.9
Al2O
3 6.2
Fe2O
3 21.6
CaO 26.2
SO3 0.3
MgO 4.3
P2O
5 4.2
K2O 11.5
Na2O 2.5
Cl 0.04
Outros óxidos 2.3
PCI (MJ/kg) 17.1
Dimensões médias dos pellets (mm)
Diâmetro 6
Comprimento 18
42
caldeira ser constante, independentemente da taxa de alimentação das pellets. Assim, quando a
taxa de consumo de pellets aumenta, o excesso de ar diminui [25].
Tabela 6. Condições de operação dos testes com Recirculação dos gases de exaustão.
Carga
térmica
(kW)
Consumo de
pellets (kg/h)
Oxidante O2 nos gases
de exaustão
(vol. %)
RGE
(%) O2
(vol.%)
CO2
(vol.%)
13 2,6
20,9 0 17,28 0
20,39 0,47 17,2 10
20,13 0,98 17,28 20
19,59 1,31 17,05 30
19,30 1,81 17,59 45
18,35 2,49 16,71 60
17 3,4
20,9 0 16,1 0
20,09 0,47 15,6 10
19,79 0,91 16,0 20
19,39 1,27 16,4 30
18,31 2,08 15,9 40
17,76 2,67 16,0 50
17,11 3,17 16,3 60
A Tabela 6 revela que o aumento de RGE produz uma diminuição da concentração de O2 nos
gases de exaustão. Esta situação é de prever, uma vez que o aumento de RGE conduz a uma
maior diluição de O2. O aumento de CO2 deve-se ao facto de se ter reintroduzido uma fração dos
produtos de combustão.
Tabela 7. Condições de operação dos testes com estagiamento de ar.
Carga térmica
(kW)
Consumo de
pellets (kg/h)
O2 nos gases de
exaustão (vol. %)
Estagiamento de
ar (%)
13 2,6
17,4 0
17,3 3
17,5 6
17,1 9
17,3 12
17 3,4
16,1 0
16,3 3
16,1 6
16,7 9
16,4 12
43
A Tabela 7 é referente aos testes realizados com estagiamento de ar. Uma vez mais, verifica-se
que a percentagem de O2 nos gases de exaustão diminui com o aumento da carga térmica.
Verifica-se também que, para ambas as cargas, a quantidade de O2 nos produtos de combustão é
relativamente constante, uma vez que o ar de combustão foi sempre mantido aproximadamente
constante.
4.3. Efeito da recirculação dos gases de exaustão nas emissões gasosas e
de partículas
A apresentação dos resultados encontra-se normalizada relativamente a caso em que não se
aplicou RGE, pois facilita a compreensão do efeito que a aplicação deste tem nas emissões de
gases e partículas. Como mostra a Figura 17 aplicou-se, para ambas as cargas térmicas, RGE até
60%.
A Figura 17 mostra o efeito que a aplicação de RGE tem na emissão dos poluentes gasosos CO e
NOx e nas partículas totais para as cargas térmicas de 13 kW e 17 kW. Verifica-se que o seu efeito
na redução das emissões de NOx é ligeiramente superior para 13 kW. Um estudo anterior
realizado por Buddeker [25] atestou que, para a presente caldeira, o aumento da carga térmica
provoca uma diminuição do excesso de ar, e que a diminuição de NOx se verifica para maiores
excessos de ar. Tal significa que a diminuição de NOx é tanto maior quanto menor for a carga
térmica.
Devido às relativamente elevadas quantidades de ar no interior da câmara, ocorre uma redução da
temperatura no seu interior [48]. A diminuição da temperatura tem um efeito muito forte no
processo de combustão, pois as temperaturas reduzidas podem provocar o congelamento das
reações químicas, dificultando a formação de novas espécies. Posto isto, Rabaçal [1] sugere que,
para a caldeira em estudo, o mecanismo térmico de formação de NO tenha uma contribuição
significativa na génese deste poluente, apesar de as temperaturas no interior da câmara de
combustão serem inferiores a 1800 K, temperatura a partir da qual este mecanismo é dominante.
O aumento de RGE produz uma maior diluição de O2 no oxidante. Para o caso de 13 kW, em que
o excesso de ar é elevado, a redução deste pode ser favorável, pois a formação de NOx depende
fortemente da concentração local de O2 [24]. Este motivo, a par com a redução da temperatura de
combustão causada pelo aumento da capacidade térmica dos gases queimados, podem ter um
efeito predominante na redução de NOx. Possivelmente para 17 kW, havendo uma menor
disponibilidade de O2 inicial, a aplicação de RGE possui um efeito relevante somente na redução
da temperatura dos gases de combustão, sendo o fator associado à oxidação do azoto menos
significativo.
No tocante às emissões de CO com a aplicação de RGE, estas não apresentam melhorias para
nenhuma das cargas térmicas estudadas, sendo relativamente mais elevadas para 13 kW.
44
Rabaçal [1] verificou que para maiores cargas térmicas, as emissões de CO apresentam um
comportamento contrário ao de NOx, diminuindo com estas. Assim, as emissões de CO
resultantes da combustão incompleta aumentam com o excesso de ar, isto é, com a diminuição da
carga. Lamberg et al. [13] constataram igualmente que um maior excesso de ar provoca uma
menor temperatura resultando na redução da taxa de oxidação de CO. Tal pode ser explicado pelo
facto de a taxa de reação do processo depender fortemente da temperatura, que diminui com o
aumento de excesso de ar. Por conseguinte, as reações de oxidação processam-se a uma taxa
mais lenta, não sendo possível a oxidação total do combustível, resultando na combustão
incompleta deste. Por isto, a redução de temperatura com o aumento de RGE poderá ter um efeito
negativo nas emissões de CO.
Figura 17.Efeito de RGE nas emissões gasosas e de PM para 13 e 17 kW.
Por último, analisando a evolução das emissões de CO, estas apresentam um comportamento
semelhante ao das emissões de partículas, como foi anteriormente discutido por Fernandes e
Costa [12]. Tal comportamento sugere que as emissões de CO podem ser um bom indicador da
eficiência da caldeira, no respeitante às emissões de PM. Sendo assim, o comportamento das
emissões de partículas poderá estar relacionado com a formação de fuligem, isto é, com a
combustão incompleta que adveio do excesso de ar e do aumento de RGE, resultando na redução
da temperatura.
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
PM
/PM
refe
rên
cia
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
CO
/CO
refe
rên
cia
, N
Ox/N
Ox
refe
rên
cia
referência 10 20 30 45 60
FGR
PM
CO
NOx
EGR , 13 kW
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
referência 10 20 30 40 50 60
PM
/PM
refe
rên
cia
RGE
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0C
O/C
Ore
ferê
ncia
, N
Ox/N
Ox
refe
rên
cia
PM
CO
NOx
RGE, 17 kW
RGE
RGE, 13 kW
45
A Figura 18 mostra a variação da emissão das partículas inferiores a 2,5 µm, recolhidas pelo
impactor de 3 estágios. A evolução da concentração mássica de PM2,5 apresenta-se normalizada
em relação aos valores de referência, em que não se aplicou recirculação dos gases de
combustão.
O aumento de RGE nas emissões de PM2.5 evidencia um efeito contrário ao desejado, não sendo
evidente qualquer melhoria no que concerne a redução de partículas. Possivelmente devido a uma
combustão mais incompleta ocorre uma menor oxidação da matéria orgânica libertada durante a
fase de pirólise, favorecendo a formação de fuligem. Perante cargas superiores o efeito de RGE
ostenta melhores resultados nas emissões de PM2,5. Tal facto pode estar associado à menor
presença de excesso de ar.
Figura 18. Efeito de RGE nas emissões de PM2,5 para 13 e 17 kW.
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
PM
/PM
refe
rência
referência 10 20 30 45 60
RGE
PM < 2.5 µmRGE, 13 kW
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
referência 10 20 30 40 50 60
PM
/PM
refe
rência
RGE
RGE, 17 kW PM < 2.5 µm
46
4.4. Efeito do estagiamento de ar nas emissões gasosas e de partículas
Na secção anterior foi analisado o efeito de RGE nas emissões gasosas e de partículas. A
presente secção foca-se no estudo das mesmas emissões com a aplicação de estagiamento de
ar. Tal como anteriormente, tanto as espécies gasosas como as de partículas foram normalizadas
para 13% de O2 e comparadas em relação à situação referencial sem estagiamento.
Analisando a Figura 19 constata-se que, para 17 kW, a diminuição de NOx com a aplicação de
estagiamento de ar não foi bem-sucedida, ao contrário do que ocorreu quando se aplicou o RGE.
Uma vez mais, os resultados estão de acordo com a conclusão de Rabaçal [1] que observou que,
para a mesma caldeira, as emissões de NOx aumentam com a carga térmica.
Figura 19. Efeito do estagiamento de ar nas emissões de gasosas e de partículas para 13 e 17 kW.
O estagiamento de ar não apresenta melhorias nas emissões de CO para cargas térmicas de 13
kW, tendo, no entanto, aumentado a eficiência de combustão para 17 kW. Tal ocorrência reforça,
uma vez mais, o facto de que as condições de combustão são mais eficientes perante a presença
de menores excessos de ar.
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
PM
/PM
refe
rên
cia
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
CO
/CO
refe
rên
cia
, N
Ox/N
Ox
refe
rên
cia
referência 0.03 0.06 0.09 0.12
Ar sec./Ar prim.
PM
CO
NOx
Estagiamento de ar, 13 kW
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
PM
/PM
refe
rên
cia
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
CO
/CO
refe
rên
cia
, N
Ox/N
Ox
refe
rên
cia
referência 0.03 0.06 0.09 0.12
Ar sec./Ar prim.
PM
CO
NOx
Estagiamento de ar, 17 kW
47
O facto de as emissões de CO não apresentarem melhorias face à aplicação de estagiamento de
ar para 13 kW poderá estar associado a uma má estratégia de distribuição de ar secundário, para
esta carga térmica. Tal aparenta indicar que o aumento de ar secundário não tem uma boa
influência no processo de combustão. De facto, o mesmo tinha sido já verificado por outros
autores, [11], [49]. Chaney e Liu [49] sustentam que quanto maior for o caudal de ar secundário,
maior será a área necessária para a oxidação de CO. Uma vez que a caldeira possui dimensões
pequenas, como foi já comentado anteriormente, a mistura entre combustível e ar torna-se mais
difícil. A necessidade de maior área aumenta devido ao aumento do caudal de ar secundário,
podendo tornar o processo de combustão menos eficiente. Porém, Lamberg et al. [13] indicam que
o aumento de ar secundário traz grandes benefícios no referente às emissões de combustão
incompleta.
De facto, para 17 kW as emissões de CO com o aumento de ar secundário aparentam ter sofrido
uma redução significativa. Possivelmente devido à menor presença de excesso de ar, o que causa
um menor caudal de ar secundário e uma redução de temperatura no interior da câmara menos
acentuada, criando melhores condições para combustão completa do combustível. Com o
aumento da contribuição de ar secundário face ao ar primário, o caudal do primeiro aumenta. No
entanto, havendo um menor excesso de ar, o seu caudal é inferior ao caso de 13 kW. Assim
sendo, as condições de mistura no interior da câmara poderão ser beneficiadas em comparação
com o caso de 13 kW.
Ao contrário do sucedido para os testes com RGE, as evoluções de partículas com CO
apresentam evoluções diferentes. Tal situação poderá estar relacionada com a menor vaporização
de elementos alcalinos, devido à redução da temperatura na zona primária de combustão,
juntamente com a redução de fuligem, devido à condensação do material inorgânico sobre as
partículas originadas da combustão incompleta, causada pelas menores temperaturas. Verifica-se
também que a redução das emissões de partículas é mais acentuada para 17 kW. O facto de
haver um menor excesso de ar pode provocar temperaturas relativamente mais altas para 17 kW,
permitindo uma melhor oxidação de fuligem do que no caso de 13 kW.
A Figura 20 mostra a variação das PM2,5 com a aplicação de excesso de ar. Ao contrário do
sucedido aquando da aplicação de RGE, a variação das emissões de PM2,5, ostenta um
comportamento diferente das emissões totais de partículas. De facto, comparando a evolução das
emissões de partículas, verifica-se uma redução muito significativa das emissões de PM2,5, ao
mesmo tempo que se verifica um aumento do estagiamento de ar e é menos notória a redução
das emissões totais de partículas. Esta diferença poderá assinalar que ocorreu um deslocamento
da concentração mássica de partículas no sentido das menores para as de maiores dimensões.
Também Wiinikka e Gebart. [14] e Žandeckis et al. [11] verificaram que as partículas volantes
grosseiras aumentam perante maiores caudais de ar secundário. Tal facto deve-se a que o
aumento de ar secundário produz um aumento da velocidade do ar no interior da câmara de
48
combustão. Este aumento de velocidade, ao provocar uma força maior, consegue retirar pequenas
partículas que permaneciam no queimador. Estas partículas são arrastadas ao longo do
escoamento, incrementando a concentração das partículas de maiores dimensões.
Figura 20. Efeito da aplicação de estagiamento de ar nas emissões de PM2,5 para 13 e 17 kW.
Com o aumento do estagiamento de ar secundário introduzido na câmara verifica-se que, de facto,
ocorre uma melhoria substancial nas emissões de PM < 2,5 µm. Tal evidência está de acordo com
os estudos realizados anteriormente por Wiinikka e Gebart [14], que confirmaram que o aumento
de ar secundário em relação ao ar primário se traduz na diminuição das emissões de partículas da
ordem dos submícrons. Segundo os autores, tal ocorrência poderá estar relacionada com o facto
de que o aumento de ar secundário, ao criar uma maior velocidade dentro da câmara, permite a
redução de temperatura no interior da câmara de combustão. Assim, os autores sugerem que
devido a uma redução da temperatura junto ao queimador, possa ocorrer a inibição da
vaporização de alguma parte da matéria mineral do combustível.
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0P
M/P
Mre
ferê
ncia
referência 0.03 0.06 0.09 0.12
Ar sec/Ar prim
PM < 2.5 µmEstagiamento de ar, 13 kW
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
PM
/PM
refe
rência
referência 0.03 0.06 0.09 0.12
Ar sec/Ar prim
PM < 2.5 µm
Estagiamento de ar, 17 kW
49
Uma outra explicação é que o aumento de ar secundário produz uma redução no caudal de ar
primário, resultando numa diminuição de temperatura na zona primária de combustão. Lamberg et
al. verificaram igualmente que a redução de ar secundário apresenta efeitos negativos nas
emissões de partículas finas e na vaporização de metais alcalinos. A explicação dada pelos
autores para tal situação centra-se no facto de que a redução do caudal de ar primário, e respetivo
aumento de caudal de ar secundário, reduz a temperatura na zona primária de queima. A
diminuição de temperatura na zona primária de combustão pode, assim, levar à menor
vaporização dos metais alcalinos da grelha. Os autores apontam também que o aumento do
caudal de ar secundário resulta igualmente numa melhor mistura na zona secundária de
combustão. Assim sendo, de acordo com os autores, a melhor mistura na zona secundária, reduz
as emissões de gases da combustão incompleta e de partículas. Devido à diminuição de
temperatura, a inibição da vaporização de uma fração dos compostos minerais presentes no
combustível pode ocorrer. Assim sendo, estes podem fundir na partícula incandescente que
permanece na grelha, podendo ser mais tarde arrastados pelo escoamento. Podem ainda
contribuir tanto para o incremento das partículas leves de maiores dimensões, com para o
aumento as cinzas de fundo.
A redução da temperatura poderá também influenciar a condensação do material inorgânico
vaporizado sobre partículas já existentes. Uma vez que as partículas de fuligem podem servir
como núcleos onde a matéria inorgânica das cinzas do combustível condensa, a concentração de
fuligem poderá diminuir e a dimensão das partículas finas poderá aumentar. Desta forma, a
concentração mássica de partículas no modo PM2,5 diminui, enquanto a concentração das
partículas de maiores dimensões aumenta.
Para os caudais de ar secundário mais elevados, poderá também ocorrer uma melhor mistura
entre o combustível e o ar secundário, resultando na maior oxidação da fuligem, diminuindo
também a sua contribuição para as menores partículas. Possivelmente, a mistura é mais eficaz
quando o excesso de ar é menor, a 17 kW, devido à menor área necessária para obter uma boa
mistura.
50
5. FECHO
5.1. Conclusões
O uso de caldeiras domésticas para aquecimento central de casas ou aquecimento de águas tem
vindo a aumentar. O uso excessivo de combustíveis fósseis resultou numa maior procura de
fontes de energia alternativas. A biomassa tem vindo a tornar-se um combustível competitivo, pois
a sua queima não contribui para as emissões de efeito de estufa. No entanto, durante a sua
combustão, poluentes extremamente nefastos à saúde humana são emitidos. Entre os mais
gravosos encontram-se as partículas. A sua captura é possível, contudo, apenas a partir de
métodos pós combustão de custos elevados sem possibilidade de filtrar as partículas mais
pequenas (aerossóis). Assim sendo, é necessário o estudo de novos métodos de remoção ou
diminuição de partículas finas a partir da modificação do processo de combustão.
O trabalho teve como objetivo de estudo a influência que a recirculação dos gases de exaustão e
o estagiamento de ar apresentam nas emissões de gases e de partículas resultantes da
combustão de pellets de pinho numa caldeira doméstica. Para tal, foi necessário modificar o
sistema de queima de forma a permitir a realização da presente investigação, alterando nos dois
testes o esquema de admissão do oxidante.
A análise das espécies gasosas (CO, NOx) foi executada recorrendo a analisadores de espécies
gasosas. Para recolha e classificação de partículas recorreu-se a um impactor de baixa pressão
de três estágios, que classifica as partículas de acordo com o seu diâmetro aerodinâmico em três
gamas de tamanhos diferentes.
As amostras gasosas e de partículas foram corrigidas para 13% O2, para as cargas térmica de 13
e 17 kW. Foram analisados os diferentes casos estudados, avaliando a evolução das espécies
gasosas e de partículas face à situação referencial, na qual nenhuma modificação na caldeira foi
implementada.
A aplicação das estratégias implementadas tem efeitos nas emissões gasosas e de partículas,
devido às temperaturas menores que se atingem no interior da câmara. A redução de temperatura
na câmara de combustão traz benefícios no que diz respeito à vaporização de matéria inorgânica
das cinzas constituintes da biomassa, bem como à sua condensação sobre partículas de fuligem.
Contudo, pode ocorrer um aumento das emissões de fuligem, ao tornar a combustão menos
completa. Assim, é necessário que a câmara de combustão seja bem projetada, no sentido de
proporcionar a menor vaporização das cinzas, ao mesmo tempo que promove uma boa mistura
entre matéria orgânica que volatiliza e se mistura com o ar.
51
Concluiu-se que a aplicação de RGE se traduz em melhorias nas emissões de NOx, tendo, no
entanto, um efeito pouco significativo nas emissões de CO. A sua aplicação como estratégia de
melhoria das emissões de partículas, em especial as que apresentam tamanhos inferiores aos
submícrons, apresenta um caráter promissor, porém, é necessário uma maior investigação neste
campo.
O estagiamento de ar mostrou ser um método muito eficaz na redução das emissões de PM2,5.
Todavia, especial atenção deve ser dada às emissões de CO, que apresentam um maior
incremento face à situação em que não é aplicado qualquer estagiamento. Esta situação foi
observada para excessos de ar elevados, revelando que o estagiamento de ar pode ter efeitos
negativos se aplicado em condições em que pode prejudicar uma boa eficiência de combustão.
No entanto, este método, por inibir a vaporização de uma parte da matéria inorgânica, pode
causar a aglomeração desta na zona do queimador, obstruindo a passagem de ar primário,
afetando o fornecimento de ar necessário para obter a oxidação do combustível, e podendo criar
instabilidade da chama, tornando o processo de combustão menos eficiente.
Os objetivos do trabalho foram cumpridos, tendo sido estudado o efeito que cada um dos
processos de modificação de combustão tem nas emissões de gases e de partículas. Verificou-se
ainda que tanto a aplicação de RGE como a de estagiamento de ar durante a combustão da
biomassa em leito fixo são técnicas promissoras na redução das partículas menores de forma
eficiente. Contudo, é necessário prestar a devida atenção a fatores externos que possam causar
perturbações no processo de combustão, podendo prejudicar a eficiência da mesma.
5.2. Recomendações para trabalhos futuros
O trabalho realizado confirmou que, de facto, a modificação do processo de combustão visando a
redução de partículas, tem um caracter bastante promissor. No entanto, é necessária uma maior
investigação nesta área. Assim sendo, são propostas nesta secção algumas recomendações para
futuras pesquisas:
Testes semelhantes deveriam ser realizados, no entanto medições de temperatura e
espécies gasosas no interior da câmara devem ser efetuadas, tornando possível a análise
do efeito que o RGE e o estagiamento de ar têm em todo o processo de formação de
partículas, nas diversas secções da câmara de combustão.
Os mesmos testes deveriam ser realizados em diversas caldeiras domésticas, que
apresentem secções diferentes do queimador. A realização destes testes poderá ser
interessante para compreensão do efeito que a variação da secção do queimador terá,
aquando da libertação da matéria inorgânica existente nas cinzas.
A separação entre a fração orgânica da matéria e a inorgânica presente nas amostras
recolhidas deve ser realizada. No entanto, este ponto não é de fácil realização, uma vez
52
que estudos anteriores que relatam a sua execução envolvem equipamentos
dispendiosos.
A realização de novos testes de estagiamento de ar para diferentes orientações dos jatos
de ar secundário, com diferentes cargas térmicas, de forma a observar o efeito que a
orientação dos jatos e o caudal de ar secundário têm nas emissões gasosas e de
partículas poderiam ser realizados.
Testes semelhantes deveriam ser realizados com pellets diferentes, com o intuito de
avaliar a interação entre os elementos inorgânicos libertados das cinzas e os métodos de
alteração ao processo de combustão.
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