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Projecto AIRUSE

Combustão de biomassa

2013

Luís António da Cruz TarelhoDepartamento de Ambiente e OrdenamentoCentro de Estudos do Ambiente e do Mar

Universidade de Aveiro

80

2.2. Balanço de massa aplicado a um sistema de combustão

O balanço mássico aplicado a um sistema de combustão de biomassa traduz oprincípio geral da conservação da massa numa fornalha em estadoestacionário:

Biomassakg/s

Ar de combustãokg/s

Gases e partículaskg/s

Cinzas e escóriaskg/s

Fornalha/Reactor

81

[CHNOSFCl+cinzas] + ar (N2,O2, H2O)

n1 CO2 + n2 H2O + n3 CO + n4 H2 + n5 O2 + n6 N2 + n7 NO + n8 SO2

+

HC´s

+

Componentes gasosos minoritários (HF, HCl)

+

Partículas (escórias, cinzas e carbono inqueimado)

+

Energia térmica

Energia

Biomassa sólida

82

Dióxido de carbono (CO2)Oxigénio (O2)Água (H2O)Azoto (N2) (embora seja o componentemaioritário dos gases de combustão, não énecessariamente um produto de combustão)

Compostos de

ineficiência

Poluentes

Compostos

maioritários

Monóxido de carbono (CO)Hidrocarbonetos inqueimados/parcialmente oxidados (HC’s, incluiCOV e PAH)Partículas de combustível (soot)

Monóxido de carbono (CO)Hidrocarbonetos inqueimados (HC’s, inclui COV e PAH)Partículas (cinza, fuligem (soot))Óxidos de azoto:

Óxido nítrico (NO), Dióxido de azoto (NO2) , Óxido nitroso (N2O)Dióxido de enxofre (SO2)Ácido fluorídrico (HF)Ácido clorídrico (HCl)

Efluente gasoso

83

Combustão completa vs Combustão incompleta

Para efeitos de balanço mássico e balanço energético vamos considerar:

Combustão completa

todo o S é oxidado a SO2

todo o H é oxidado a H2O

todo o C é oxidado a CO2

N

N-fuel não é oxidado a NO,e aparece como N2

N2, ar atmosférico → N2

Não surgem espécies como o C, H2, CO,OH ou hidrocarbonetos nos produtos.

84

A base de cálculo do balanço mássico que aqui se apresenta, é assente naunidade de massa de material sólido seco a queimar [kg mistura base seca].

A metodologia apresentada prevê a distribuição de produtos maiores (por

exemplo: N2, CO2, O2, H2O e cinzas) mas não a distribuição dos pequenos

produtos (por exemplo os poluentes como o NOx, HCl ou as dioxinas) ousequer a distribuição das substâncias conservativas pelas várias correntesmateriais (ou compartimentos) que atravessam o incinerador (por exemplometais pesados como Hg, Zn através dos gases versus através das escórias) facea uma determinado conjunto de condições operatórias.

O balanço mássico também não prevê como se deverá distribuir o ar de

combustão entre o ar primário e o ar secundário, embora permita determinarqual a quantidade de ar globalmente necessário.

85

Este esquema não detalha convenientemente, contudo, a complexa série dereacções químicas que ocorrem; não põe em evidência tão pouco um aspectoimportante que é o de que a conversão nunca é completa.

De facto a fornalha não é um reactor ideal, há heterogeneidades na composição,isto é, o combustível e o comburente não têm uma distribuição uniforme,originando-se resistências à transferência de calor e de massa que fazem comque a reacção de combustão seja incompleta.

Para compensar o efeito dos fenómenos referidos, na prática, todas asfornalhas trabalham com excesso de ar, relativamente àestequiometria.

86

Necessidades de ar de combustão

Tendo determinado (anteriormente) as necessidades estequiométricas de arcombustão, em função da composição do combustível:

Necessidade estequiométrica de oxigénio

(kg O2 estequiométrico/kg mistura R em base seca)

Necessidade estequiométrica de ar

(kg ar estequiométrico/kg mistura R em base seca)

××+×+×=

2O

O2H

2O

2NM

MVAM

MssA W7,663,761WW

−∑

××=

2O

OR

j

jRjs,s M

w

M

wY32W

87

E tendo em atenção que por razões que têm a ver com a velocidade detransferência de massa e cinética química, é muito difícil evitar a ocorrência denão-queimados gasosos e/ou sólidos acompanhando os gases de escape ou ascinzas.

É normal utilizar estratégias para minorar este problema:

Reduzir as dimensões do material e expô-lo à corrente gasosa(aumentando a agitação ou turbulência);

Aumentar a relação comburente/combustível (expressa como razãoestequiométrica, ou como excesso de ar) para além da quantidadeestequiométricas.

Importante variável operacional.

88

Excesso de ar

Quando se usa o ar como fonte de oxigénio, denomina-se excesso de comburente(também denominado como excesso de ar), definido em percentagem, à relação:

Wa [kg O2 actual/kg mistura R em base seca]Ws [kg O2 estequiométrico/kg mistura R em base seca]

ou

WaA (kg ar actual/kg mistura R em base seca) WsA(kg ar estequiométrico/kg mistura R em base seca)

Na combustão de biomassa, ou na incineração de resíduos sólidos, é

necessário operar com excesso de ar, que pode atingir os 100%.

1001W

Wz

s

a ×

−=

1001W

Wz

sA

aA ×

−=

89

Razão estequiométrica (ou razão de equivalência)

Em alternativa ao conceito de excesso de ar pode usar-se a noção de razão

estequiométrica (ou razão de equivalência) dada por:

sA

aAW

Wr =

90

Produtos de combustão

Os produtos de combustão são constituídos de um conjunto de substâncias

gasosas e sólidas.

Composição dos produtos gasosos

Para efeito do balanço mássico global, e tendo em consideração os componentesmaioritários, adoptou-se as seguintes referências para cada produto gasoso i:

1=CO2

2=H2O3=CO

i = 4=H2

5=O2

6=N2

7=NO8=SO2

denotando-se a abundância por unidade de massa de mistura de biomassa R aqueimar, em base seca, por:

niR [kmole de gás i produzido/ kg R]

91

Composição ponderal de produtos sólidos

Os produtos sólidos resultantes do processo de combustão de biomassa incluem:

Uma parte inerte à combustão (cinzas)

Uma parte orgânica, essencialmente composta por carbono

Estes produtos sólidos arrastam consigo vários micropoluentes orgânicosadsorvidos (PAH’s) e poluentes inorgânicos (metais).

Os produtos sólidos podem sair do sistema de combustão principalmente como:

Escória (E) através das grades para o cinzeiro

Material volante (V) a acompanhar o efluente gasoso

92

A composição destes dois tipos de produtos é usualmente diferente pelo que énecessário conhecer a sua composição em termos do teor de cinza para sedeterminar o balanço mássico.

Para efeitos do balanço mássico admite-se que o resíduo do processo decombustão é constituído apenas por cinzas e carbono, ou seja:

wZV [kg cinza/kg de produto de combustão volante]

wZE [kg cinza/kg de produto de combustão escória]

wCV =1-wZV [kg Carbono/kg de produto de combustão volante]

wCE =1-wZE [kg Carbono/kg de produto de combustão escória]

93

A abundância dos resíduos de combustão em relação ao biocombustível podeexprimir-se em termos das razões ponderais WVR, WER respeitantes ao resíduosvolante e escória, respectivamente

WVR [kg de produto volante V base seca/kg de R ]

WER [kg de produto escória E base seca/kg de R ]

Tipicamente WVR corresponde a menos de 10% (em massa) do total ponderal deprodutos sólidos (escória+volantes) resultantes do processo de combustão.

94

De acordo com o formalismo apresentado, a expressão estequiométrica da reacçãode combustão com ar atmosférico é a seguinte:

+

+

com

18

W , w,

32

w,

28

w,

32

w,

2

w,

12

w WRZR

SRNRORHRCR

( )OHW66.7N76.3O132

Wa2VA22 ××+×+××

n n n n n n n n 8R7R6R5R4R3R2R1R +++++++

( ) ( )12

W w Ww W w Ww ERCEVRCV

ERZEVRZV×+×

+×+×

+×=

100

z1WW sa

95

A base de cálculo do balanço mássico elementar (kmol elemento ou composto j/kgmistura de biomassa R em base seca) é:

Carbono (C)

Hidrogénio (H2)

Oxigénio (O2)

( )12

W w Wwnn

12

w ERCEVRCV3R1R

CR ×+×++=

4R2RVAaWRHR n n 32

7.66 WW

18

W

2

w+=

××++

( )

8R7R

5R3R2R

1R

VAaWROR

n2

n n

2

n

2

n n

7.66W0.5 1 32

W

18

W0.5

32

w

+++++=

=××+×+×

+

96

Azoto (N)

Enxofre (S)

Parte inorgânica, ou seja a cinza (kg cinzas/kg mistura R em base seca)

7R6RaNR n n2 3.76

32

W2

14

w +×=××+

8RSR n

32

w=

ERZEVRZVZR W w W w w ×+×=

97

A razão de gases de combustão produzidos por unidade de massa de

combustível é dada por:

Gases húmidos

Gases secos

8R7R6R5R4R3R2R1Rbs l,combustíve

combustão gasest nnnnnnnn

kg

kmoleG +++++++==

8R7R6R5R4R3R1Rbs l,combustíve

secos combustão gasesst, nnnnnnn

kg

kmoleG ++++++==

98

t

1R

8R7R6R5R4R3R2R1R

1R1CO G

n

nnnnnnnn

nyy

2=

+++++++==

t

2R

8R7R6R5R4R3R2R1R

2R2OH G

n

nnnnnnnn

nyy

2=

+++++++==

t

5R

8R7R6R5R4R3R2R1R

5R5O G

n

nnnnnnnn

nyy

2=

+++++++==

Composição molar dos gases de combustão (gases húmidos)

com i=1, …, 8

t

3R

8R7R6R5R4R3R2R1R

3R3CO G

n

nnnnnnnn

nyy =

+++++++==

t

4R

8R7R6R5R4R3R2R1R

4R4H G

n

nnnnnnnn

nyy

2=

+++++++==

húmidos gases de mistura

i componentei kmole

kmoley =

99

t

7R

8R7R6R5R4R3R2R1R

77NO G

n

nnnnnnnn

nyy =

+++++++==

t

8R

8R7R6R5R4R3R2R1R

8R8SO G

n

nnnnnnnn

nyy

2=

+++++++==

t

6R

8R7R6R5R4R3R2R1R

6R6N G

n

nnnnnnnn

nyy

2=

+++++++==

100

st,

1R

8R7R6R5R4R3R1R

1Rs1,s,CO G

n

nnnnnnn

nyy

2=

++++++==

st,

5R

8R7R6R5R4R3R1R

5Rs5,s,O G

n

nnnnnnn

nyy

2=

++++++==

Composição molar dos gases de combustão (gases secos)

com i=1, …, 8, e i≠2

st,

3R

8R7R6R5R4R3R1R

3Rs3,sCO, G

n

nnnnnnn

nyy =

++++++==

st,

4R

8R7R6R5R4R3R1R

4Rs4,s,H G

n

nnnnnnn

nyy

2=

++++++==

secos gases de mistura

i componentei kmole

kmoley =

101

st,

7R

8R7R6R5R4R3R1R

7s7,sNO, G

n

nnnnnnn

nyy =

++++++==

st,

8R

8R7R6R5R4R3R1R

8Rs8,s,SO G

n

nnnnnnn

nyy

2=

++++++==

st,

6R

8R7R6R5R4R3R1R

6Rs6,s,N G

n

nnnnnnn

nyy

2=

++++++==

102

2.3. Balanço de energia aplicado a um sistema de combustão

O balanço energético aplicado a uma instalação de combustão traduz o princípio

geral de conservação de energia (1ª Lei da Termodinâmica) numa fornalha,evoluindo a pressão constante, em que se desprezam geralmente os termoscorrespondentes à variação de energia cinética, potencial e de mistura. Assim, emestado estacionário:

BiomassakJ/s

Ar de combustãokJ/s

Gases e partículaskJ/s

Cinzas e escóriaskJ/s

Fornalha/Reactor

Energia aproveitadakJ/s

Energia perdida (convecção e radiação) através das paredes do reactorkJ/s

103

É necessário que o balanço mássico seja efectuado em primeiro lugar.

A função termodinâmica de estado adequada para exprimir o Princípio da

Conservação de Energia de um sistema aberto (a pressão constante) é:

Entalpia.

As várias componentes, ou formas de energia, dum balanço energético, incluem:

- calor sensível inerente a todos os intervenientes materiais;

- calor latente de vaporização (da humidade, por exemplo);

- calor da reacção de combustão dos vários componentes combustíveis;

- calor aproveitado (ou energia útil);

- calor perdido por convecção e radiação através das paredes exterioresdo reactor de combustão.

104

Diagrama de entalpia para a combustão de biomassa

oWR fgW h (T )

1 ok kn cp (T T )−∑

2 oj jn cp (T T )−∑

útil perdidoH H+

T1 T2 Tadibática

ok kn PCI (T )∑

T0

105

O balanço de entalpia (J/kg mistura R em base seca) aplicado ao sistema decombustão é:

Temperatura de combustão adiabática

Para um dado combustível, é a temperatura obtida em condições para as quais

toda a energia desenvolvida na reacção vai a acompanhar os produtos, ouseja, em que:

perdidoútilprodutosreagentes HHHH ∆+∆+∆=∆

J0∆Hútil =

J0∆Hperdido =

produtosreagentes ∆H∆H =

106

Componentes do balanço energético

Calor sensível

Por calor sensível entende-se a energia térmica acumulada numa massa

material e que é proporcional à diferença entre a temperatura do material e a

temperatura de referência.

O calor sensível transportado pela mistura, isto é, quer pertencente aos reagentesquer aos produtos, é dada por

cp,j (J/(kg·K)) Calor específico médio referente à espécie j, definido entre T° eT; tabelado ou calculando a partir de cp=f(T).

nj (kmolj/kg mistura em base seca) Determinado a partir do balanço mássico.

Mj (kgj/kmolj) Massa molar da espécie j.

( )∑ −×××=j

jp,jjS TTcMn∆H o

107

Calor latente

Por calor latente entende-se a energia térmica posta em jogo quando uma

substância muda de fase.

Particularmente importante no caso da água, que constitui ahumidade, para o estudo em questão.

O calor latente transportado por uma mistura (kJ/kg mistura R em base seca), querpertencente aos reagentes quer aos produtos, é dada por:

hj,WV,T° (J/kgj] Calor latente de vaporização de cada substância j àtemperatura de referência T° (0°C ou 25°C).

∑ ××=j TWV,j,jjL hMn∆H o

108

Calor de reacção de combustão

Por calor de reacção de combustão entende-se a entalpia de reacção de

combustão a pressão constante e à temperatura de referência T°°°°. Os produtosfinais de uma reacção de combustão completa são: CO2, H2O, N2, SO2 e cinzas.

Equivalência entre entalpia de combustão e poder calorífico

a pressão constante.

Uma consideração importante, como já referimos, é o estado final da água

produzida que pode ser líquida ou vapor, definindo respectivamente o podercalorífico superior e inferior (kJ/kg mistura em base seca).

Neste caso, interessa considerar o estado final da água na forma de vapor, eassim vem:

PCIj,T° (∆hj,comb(g),T°) (J/kgj) Calor de combustão à temperatura dereferência T°, em que a água formada comoproduto de combustão ocorre na forma gasosa(poder calorífico inferior).

∑ ××=j Tj,jjr PCIMn∆H o

109

Energia útil

A energia útil, ∆∆∆∆Hútil (J/kg mistura em base seca), tem a ver com a existência de

um sistema permutador que retira calor da fornalha.

Existe nos sistemas de combustão com produção de

energia térmica, eléctrica, ou ambas.

Energia perdida através das paredes do reactor

Apesar do isolamento térmico, todos os sistemas de fornalha são atravessados porum fluxo de calor que se dissipa à superfície, por convecção junto da parede, porradiação e por condução.

As perdas dependem do isolamento térmico, do tipo de incinerador, da operação edo estado de conservação da instalação – sendo representado por ∆∆∆∆Hperdido (J/kg

mistura em base seca).

É comum adoptar-se para as perdas um valor de 5% da energia

total de entrada.

110

[ ] reagentesrLSreagentes HHHH ∆+∆+∆=∆

Calor de reacção

Calor latente

Calor sensível

Energia dos reagentes:

[ ] ( )

( )[ ] ( )oo

TTcW31.4c31.3c1W

TTcWc1H

APVAPPa

RPWRPreagentes,S

gO2H2N2O

WR

−×××+×+××+

+−××+×=∆

oT,WVWRreagentes,L hWH ×=∆

Rreagentes,r PCIH =∆

111

[ ]produtosrLSprodutos HHHH ∆+∆+∆=∆

Calor de reacção

Calor latente

Calor sensível

Energia dos produtos:

[ ] ( )( )[ ] ( )( )[ ] ( )o

o

o

TTcWwWw

TTcWwWw

TTcMnH

2PERCEVRCV

2PERZEVRZV

2PiR,iprodutos,S

C

Z

i

−×××+×+

+−×××+×+

+−×∑ ××=∆

0H produtos,L =∆

( ) CERCEVRCVJjR,jprodutos,r PCIWwWwPCIMnH ××+×+∑ ××=∆

A condensação de produtos deve ser evitadadentro da instalação de incineração.

j – espécies combustíveis tipo CO e H2, e HC

112

Eficiência de conversão de energia

O aproveitamento de trabalho mecânico a partir da combustão de biomassasólida, mesmo nos sistemas mais eficientes, não deverá ultrapassar os 35%.

Contudo:

Aproveitamento dos calor residual para:

Aquecimento de água ou produção de vapor para aplicações deaquecimento (ex: district heating)

Arrefecimento (district cooling),

Aproveitamento do calor de condensação

Permite melhorar a eficiência térmica do processo para valores até 85%.

Processo designado de CHP –Combined Heat and Power.

113

A eficiência térmica global de um sistema de combustão pode ser definidacomo:

Energia introduzida no sistema de combustão

Energia do combustível baseado no poder calorífico inferior docombustível

Calor sensível fornecido pelo combustível e pelo oxidante.

Energia perdida pelo sistema de combustão

Energia associada com os gases de exaustão que abandonam o sistema decombustão

Calor dissipado através das paredes exteriores.

sistema no aintroduzid Energia

sistema pelo perdida Energia -sistema no aintroduzid Energiaη =

114

2.4. Opções tecnológicas

As tecnologias para a combustão de biomassa podem ser divididas em duasgrandes classes, tendo em consideração o objectivo da sua utilização, e a dimensãodo sistema:

Aplicações domésticas, em grandes edifícios e em

equipamentos públicos

Dedicadas a produção de calor para aquecimento de espaços ou água quente sanitária.

Instalações industriais

Dedicadas a produção de calor, electricidade, ou ambos.

115

116

2.4.1. Aplicações domésticas

As aplicações domésticas de combustão de biomassa para produção de calor ou águas quentes sanitárias incluem, entre uma variedade bastante grande, as seguintes tecnologias:

Lareiras

Fogões e recuperadores de calor

Troncos de madeira ou briquetes

Pellets

Caldeiras de aquecimento central

Troncos de madeira ou briquetes

Estilha

Pellets

117

2.4.1.1. Lareiras e “recuperadores de calor” (fireplace insert)

Sistema a troncos de madeira ou briquetes(alimentação por cargas)

118

2.4.1.2. Fogões

119

Sistema a pellets (alimentação continua)

120

2.4.1.3. Caldeiras de aquecimento central

2.4.1.3.1. Troncos de madeira e briquetes

121

2.4.1.3.2. Pellets

122

123

Sistema a estilha ou pellets (alimentação continua)

124

125

126

127

2.5. Tecnologia de controlo de efluentes gasosos

Controlo na fonte (medidas primárias)

Modificação do sistema de combustão ou do combustível

Modificação dos parâmetros operatórios

Utilização de adsorventesQueimadores de baixo NOx

TemperaturaExcesso de arAr por estágios

Controlo a jusante da fonte (tratamento do efluente gasoso)

Processos mecânicos

Processos físico-químicos

128

Tecnologias de controlo a jusante da fonte

Mecânicas e Físico-Químicas

Natureza do Poluente

TecnologiasPropriedadeou Força

Partícula MecânicaSeca

Câmara de Sedimentação Gravidade

Ciclone Inércia

Precipitador Electrostático Electrostática

Filtro de Mangas Porosidade

Húmida Lavador Húmido Inércia

Molécula Activa (NOx, SO2, HC, etc)

Físico-Química

Absorção Solubilidade

Adsorção Adsorptividade

Incineração(Combustão)

TérmicaFlamabilidade

Catalítica

129

Ciclone

130

Lavador húmido

131

132

Precipitador electrostático

133

Filtro de Mangas

134

3. Instalação experimental para estudo de combustão em

fogões domésticos no DAO-UA

Termocouple T6

Sample Gas (SG) / Pressure

Warm water (out)

Combustion flue gasesCold water (in)

Temperature

S

N2

Zero Gas (ZG)

L

UCD0

J

I

Pressure

045

000

UCD1

SG

Sample Gas (S

G) / P

ressure

UCE1

CO

R

UCD2

K

CO2

O2

HC

Q

O

P

N

Heated sampling line (190ºC)

G

Ice Bath

ZG

Condensed

material

Ice Bath

SGSG

MTermocouple T5

Termocouple T4

Termocouple T3

Termocouple T2

D

A

C Air

B

F

E

H

Termocouple T1