Emissão de partículas na co-combustão de …...carbonoso, e concentração e distribuição de...
59
Emissão de partículas na co-combustão de biomassa e gás natural numa fornalha laboratorial João Malveiro Ruivo Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Orientadores: Prof. Mário Manuel Gonçalves da Costa Profª. Cláudia Sofia Séneca da Luz Casaca Júri Presidente: Prof. Edgar Caetano Fernandes Orientador: Prof. Mário Manuel Gonçalves Costa Vogal: Dra. Sandrina Batista Pereira Junho 2017
Transcript of Emissão de partículas na co-combustão de …...carbonoso, e concentração e distribuição de...
Emissão de partículas na co-combustão de biomassa e gás
natural numa fornalha laboratorial
João Malveiro Ruivo
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Orientadores: Prof. Mário Manuel Gonçalves da Costa
Profª. Cláudia Sofia Séneca da Luz Casaca
Júri
Presidente: Prof. Edgar Caetano Fernandes
Orientador: Prof. Mário Manuel Gonçalves Costa
Vogal: Dra. Sandrina Batista Pereira
Junho 2017
ii
iii
Agradecimentos
Em primeiro lugar aos meus orientadores, o professor Mário Costa, por toda a orientação e
disponibilidade durante estes meses de trabalho, e à Cláudia Casaca, pelo acompanhamento e apoio
na elaboração desta tese.
Ao Ulisses Fernandes pela ajuda interminável no laboratório; ao Manuel Pratas e ao restante pessoal
e colegas pela preciosa ajuda prestada e pela constante troca de ideias.
E, finalmente, a todos os meus amigos e familiares, que me deram força e motivação para esta etapa
final da vida académica.
iv
Resumo
A biomassa assume-se cada vez mais como uma alternativa válida aos combustíveis fósseis. No
entanto, problemas como a emissão de partículas surgem associados à sua combustão. O objetivo
deste trabalho é estudar a influência do tamanho original das partículas de biomassa (pinho) na
concentração e composição das partículas emitidas. Para tal, foram feitos vários ensaios na fornalha
laboratorial existente no laboratório de combustão do Instituto Superior Técnico. O combustível,
adquirido sob a forma de pellets, foi triturado e peneirado em três granulometrias diferentes: < 250
µm, 250-500 µm e 500-710 µm, tendo sido também efetuados ensaios utilizando a granulometria pós-
trituração (< 1000 µm), para fins de comparação. Foram obtidos valores de oxidação do resíduo
carbonoso, e concentração e distribuição de tamanhos de matéria particulada (PM) à saída da
fornalha. Após a recolha, algumas das amostras foram analisadas num microscópio de varrimento
electrónico para avaliar a morfologia e composição química das partículas. As principais conclusões
que resultaram deste trabalho foram as seguintes: i) biomassa com granulometrias inferiores origina
oxidações superiores do resíduo carbonoso e emissões de PM mais reduzidas; ii) as emissões de PM
são dominadas por partículas abaixo de 2,5 µm, com grande parte destas abaixo de 1 µm; iii) as PM
emitidas são compostas principalmente por C e O e elementos inorgânicos como Ca, K, Cl, Si, Na, P,
Al, Mg e Fe; e iv) o Ca apresenta maiores concentrações nas partículas maiores, enquanto o K e o Cl
apresentam concentrações maiores nas partículas menores.
Palavras chave: biomassa, fornalha laboratorial, combustão, emissão, matéria particulada
v
Abstract
Biomass is increasingly becoming an alternative to fossil fuels. However, problems such as particulate
matter (PM) emissions are associated to its combustion. The goal of this experimental work was to
study the influence of the original size of pulverized biomass (pine) in the emitted PM concentration
and composition. To achieve this, several tests were made in a large-scale furnace of the combustion
laboratory of Instituto Superior Técnico. The fuel, purchased in form of pellets, was grinded and sieved
in three different size classes: < 250 µm, 250-500 µm and 500-710 µm, using also the post-grinding
sized biomass (< 1000 µm) to establish a comparative basis. Burnout and PM concentration and size
distribution at the exit of the furnace were obtained. Finally, select samples were analyzed on a
scanning electron microscope in order to examine the PM morphology and chemical composition. The
main conclusions were: i) burnout values are higher for smaller size classes, and PM emissions lower;
ii) emissions consist mostly of particles under 2,5 µm, with a large quantity of those below 1 µm; iii)
emitted PM are composed mainly of C and O, Ca, K, Cl, Si, Na, P, Al, Mg and Fe; and iv) Ca appears
in higher concentrations in the larger PM, while K and Cl appear in higher concentration in the smaller
PM.
Keywords: biomass, large-scale furnace, combustion, emission, particulate matter
vi
Índice
Agradecimentos ....................................................................................................................................... iii
Resumo ................................................................................................................................................... iv
Abstract.....................................................................................................................................................v
Lista de figuras ...................................................................................................................................... viii
Lista de tabelas ....................................................................................................................................... ix
Nomenclatura ...........................................................................................................................................x
Introdução .............................................................................................................................................. 1
1.1 Motivação e enquadramento ................................................................................................... 1
1.2 Fundamentos ........................................................................................................................... 3
1.3 Combustão de biomassa ......................................................................................................... 5
1.3.1 Aquecimento e secagem ................................................................................................. 6
1.3.2 Libertação dos voláteis .................................................................................................... 6
1.3.3 Oxidação dos voláteis e do resíduo carbonoso .............................................................. 7
1.4 Formação de matéria particulada ............................................................................................ 8
1.4.1 Formação de cinzas ........................................................................................................ 8
1.4.2 Fragmentação .................................................................................................................. 9
1.5 Revisão bibliográfica ............................................................................................................. 10
1.6 Objetivos ................................................................................................................................ 13
1.7 Estrutura da tese ................................................................................................................... 13
Instalação experimental e metodologia ............................................................................................ 14
2.1 Fornalha laboratorial .............................................................................................................. 14
2.1.1 Câmara de combustão .................................................................................................. 15
2.1.2 Queimador ..................................................................................................................... 16
2.1.3 Sistema de ignição ........................................................................................................ 17
2.1.4 Sistema de exaustão ..................................................................................................... 17
2.1.5 Sistema de alimentação de combustível ....................................................................... 19
2.1.6 Sistema de alimentação de ar primário e secundário ................................................... 20
2.2 Operação e segurança .......................................................................................................... 20
2.3 Metodologia experimental ..................................................................................................... 21
2.3.1 Medição da concentração de espécies gasosas ........................................................... 21
2.3.2 Recolha do resíduo carbonoso ...................................................................................... 23
2.3.3 Medição da concentração de partículas ........................................................................ 24
2.3.4 Microscópio eletrónico ................................................................................................... 27
2.3.5 Distribuição de tamanhos de partículas ........................................................................ 27
Resultados experimentais .................................................................................................................. 29
3.1 Condições experimentais ...................................................................................................... 29
3.1.1 Caracterização dos combustíveis .................................................................................. 29
3.1.2 Condições de operação da fornalha.............................................................................. 32
vii
3.2 Resultados ............................................................................................................................. 33
3.2.1 Oxidação do resíduo carbonoso.................................................................................... 33
3.2.2 Concentração de partículas ........................................................................................... 33
3.2.3 Composição química e morfologia ................................................................................ 35
Fecho .................................................................................................................................................... 42
4.1 Conclusões ............................................................................................................................ 42
4.2 Sugestões de trabalho futuro ................................................................................................ 42
Referências .......................................................................................................................................... 43
A Composição química das partículas ......................................................................................... 46
viii
Lista de figuras
Figura 1.1 – Representação esquemática do processo de fotossíntese. ..................................... 2
Figura 1.2 – Ciclo do carbono. ...................................................................................................... 3
Figura 1.3 – Diagrama de Van Krevelen [10]. ............................................................................... 5
Figura 1.4 – Fases da combustão de uma partícula de biomassa (adaptado de [15]). ................ 6
Figura 1.5 – Volatilização de uma partícula de biomassa [16]. ..................................................... 7
Figura 1.6 – Mecanismos de formação de partículas (adaptado de [21]). .................................... 9
Figura 1.7 – Distribuição e deposição das PM10 e PM2.5 no sistema respiratório humano [28]. 9
Figura 2.1 – Fornalha laboratorial. .............................................................................................. 14
Figura 2.2 – Representação esquemática da fornalha laboratorial [26]. .................................... 15
Figura 2.3 – Representação esquemática do queimador (adaptado de [37])............................. 16
Figura 2.4 – Representação esquemática do gerador de rotação de blocos [37]. ..................... 17
Figura 2.5 – Representação esquemática do sistema de exaustão da fornalha [37]. ................ 18
Figura 2.6 – Representação esquemática do ciclone [37]. ......................................................... 19
Figura 2.7 – Representação esquemática do sistema de alimentação de combustíveis sólidos [37].
..................................................................................................................................................... 20
Figura 2.8 – Representação esquemática da sonda de recolha dos gases de exaustão [37]. .. 21
Figura 2.9 – Representação esquemática do sistema de recolha e análise de espécies gasosas [37].
..................................................................................................................................................... 22
Figura 2.10 – Representação esquemática do sistema de recolha do resíduo carbonoso [37]. 23
Figura 2.11 – Fotografia da Mufla Nabertherm. .......................................................................... 24
Figura 2.12 – Representação esquemática do sistema de recolha de partículas (sonda e impactors,
adaptado de [26]). ....................................................................................................................... 25
Figura 2.13 – Representação esquemática da sonda de recolha de partículas [26]. ................. 25
Figura 2.14 – Representação esquemática do DLPI-13 [26]. ..................................................... 26
Figura 2.15 – Representação esquemática do LPI-3 [26]. .......................................................... 26
Figura 2.16 – Microscópio eletrónico de varrimentos (SEM). ..................................................... 27
Figura 2.17 – Sistema analisador de partículas Malvern 2600. .................................................. 28
Figura 3.1 – Pellets de pinho. ...................................................................................................... 29
Figura 3.2 – Granulometrias utilizadas: a) <1000 µm; b) 500-710 µm; c) 250-500 µm; d) <250 µm.
..................................................................................................................................................... 31
Figura 3.3 – Fotografia da torre de peneiros Gilson SS-15. ....................................................... 32
Figura 3.4 – Fotografia do moinho Retsch. ................................................................................. 32
Figura 3.5 – Concentração de partículas na exaustão da fornalha, obtidas com o impactor de três
estágios, para as condições de operação da fornalha estudadas. ............................................. 34
Figura 3.6 – Concentração de partículas na exaustão da fornalha, obtidas com o impactor de treze
estágios, para as condições de operação da fornalha estudadas. ............................................. 35
ix
Figura 3.7 – Imagens SEM típicas de partículas para cada granulometria: a) < 250 µm; b) 250-500
µm; c) 500-710 µm; d) < 1000 µm. .............................................................................................. 36
Figura 3.8 – Composição química das partículas da granulometria < 250 µm: a) substrato 2 do DLPI-
13 (Dp = 6,65 µm); b) substrato 6 do DLPI-13 (Dp = 0,95 µm). .................................................. 38
Figura 3.9 – Composição química das partículas da granulometria 250-500 µm: a) substrato 2 do
DLPI-13 (Dp = 6,65 µm); b) substrato 6 do DLPI-13 (Dp = 0,95 µm). ........................................ 39
Figura 3.10 - Composição química das partículas da granulometria 500-710 µm: a) substrato 2 do
DLPI-13 (Dp = 6,65 µm); b) substrato 6 do DLPI-13 (Dp = 0,95 µm). ........................................ 40
Figura 3.11 - Composição química das partículas da granulometria < 1000 µm: a) substrato 2 do
DLPI-13 (Dp = 6,65 µm); b) substrato 6 do DLPI-13 (Dp = 0,95 µm). ........................................ 41
Figura A.1 – Composição química das partículas da granulometria <250 µm (subtratos 2 e 3 do LPI-
3). ................................................................................................................................................. 46
Figura A.2 – Composição química das partículas da granulometria 250-500 µm (subtratos 2 e 3 do
LPI-3). .......................................................................................................................................... 47
Figura A.3 – Composição química das partículas da granulometria 500-710 µm (subtratos 2 e 3 do
LPI-3). .......................................................................................................................................... 48
Figura A.4 – Composição química das partículas da granulometria <1000 µm (subtratos 2 e 3 do LPI-
3). ................................................................................................................................................. 49
Lista de tabelas
Tabela 1.1 – PCS e PCI de combustíveis sólidos típicos [9]. ....................................................... 4
Tabela 2.1 – Analisadores de gases. .......................................................................................... 22
Tabela 2.2 – Calibração dos analisadores. ................................................................................. 23
Tabela 3.1 – Propriedades químicas do pinho utilizado. ............................................................ 30
Tabela 3.2 – Propriedades do gás natural (fonte: Lisboagás). ................................................... 30
Tabela 3.3 – Condições de operação da fornalha. ..................................................................... 32
Tabela 3.4 – Concentração das espécies químicas e taxa de oxidação do resíduo carbonoso na
exaustão da fornalha para as condições de operação da fornalha estudadas........................... 33
x
Nomenclatura
Abreviaturas
𝐶𝑠𝑑 Concentração sem diluição
𝐶𝑐𝑑 Concentração com diluição
𝐷𝑅 Rácio de diluição
𝐺𝑁 Gás natural
𝑃𝐶𝐼 Poder calorífico inferior
𝑃𝐶𝑆 Poder calorífico superior
𝐿𝑃𝐼 Impactor em cascata de baixa pressão (low pressure impactor)
𝑃𝑀 Matéria particulada (particulate matter)
𝑃𝑀1 Partículas com diâmetro inferior a 1 𝜇𝑚
𝑃𝑀2.5 Partículas com diâmetro inferior a 2.5 𝜇𝑚
𝑃𝑀10 Partículas com diâmetro inferior a 10 𝜇𝑚
𝑆𝐸𝑀 Microscópio eletrónico de varrimento (scanning electron microscope)
𝑍𝑅𝐼 Zona de recirculação interna
Símbolos gregos
λ Coeficiente de excesso de ar
Símbolos romanos
𝐺𝜃 Fluxo axial de quantidade de movimento tangencial
𝐺𝑥 Fluxo axial de quantidade de movimento axial
𝑅 Raio do tubo exterior do queimador
𝑆 Número de rotação do ar secundário (swirl)
𝑊𝑘 Fração mássica de cinzas no combustível sólido (base seca)
𝑊𝑥 Fração mássica de cinzas no resíduo carbonoso (base seca)
1
Capítulo 1
Introdução
1.1 Motivação e enquadramento
O problema energético é, talvez, a questão mundial mais importante dos dias que correm. O
crescimento exponencial da população nos últimos anos, aliado à necessidade constante de
melhores condições de conforto, levou a uma procura e utilização de energia em todo o lado e
praticamente a toda a hora, de maneira a proporcionar-nos a vida que queremos. Desde o
aparecimento da primeira máquina a vapor no século XIX e o desenvolvimento dos sistemas
energéticos movidos a combustíveis fósseis na Revolução Industrial que esta procura e utilização de
fontes de energia tem criado diversos problemas tanto a nível geopolítico como ambiental. O fator
risco para a saúde humana também surge como preocupação óbvia não só para a comunidade
científica, mas também para toda a população.
O impacto da utilização energética no meio ambiente ganhou uma relevância mais acentuada há
poucas décadas atrás, e de dia para dia se trabalha em prol do desenvolvimento duma energia mais
limpa e sustentável, e consequentemente dum ambiente menos poluído e com menos riscos para a
saúde humana. Em 1987 foi enunciado, oficialmente, pela primeira vez o conceito de
desenvolvimento sustentável, que previa um desenvolvimento que conciliasse a proteção do meio
ambiente com uma evolução económica [1], de maneira a estabelecer uma qualidade de vida
passível de ser vivida tanto por nós como por gerações futuras, sem que ocorra o esgotamento de
recursos. Adicionalmente, com a celebração do protocolo de Quioto em 1997 e a sua entrada em
vigor em Fevereiro de 2005 que as emissões de dióxido de carbono e gases de efeito de estufa têm
vindo a ser reguladas pelos governos intervenientes, passando também esta iniciativa pela
implementação de sistemas energéticos alternativos nos países desenvolvidos, como por exemplo as
variadas energias renováveis, reduzindo progressivamente o uso de combustíveis como o carvão e o
petróleo.
O combustível fóssil mais abundante no nosso planeta é o carvão que, para além de representar um
peso em torno de 27% da energia primária consumida a nível mundial, é responsável por cerca de
34% da eletricidade produzida mundialmente [2]. Os combustíveis fósseis resultam da decomposição
de organismos sujeitos a elevadas pressões e temperaturas durante milhões de anos, sendo este um
dos principais motivos da insustentabilidade destas fontes energéticas: a regeneração das reservas
não coincide com um período de tempo apropriado à escala da vida humana, recebendo, portanto, a
designação de recursos não renováveis. Além disso, alguns autores estimam que as presentes
reservas de carvão, petróleo e gás natural se esgotem nos próximos 40-50 anos [3]. É neste contexto
2
que entram as energias renováveis, sendo vistas como a solução para a atual crise energética e
ambiental. A diminuição dos custos, os incentivos dos governos internacionais e o desenvolvimento
das tecnologias fazem com que cada vez mais se utilizem estas fontes para suprir as necessidades
energéticas humanas. Por exemplo, na década de 1970 o governo dos Estados Unidos da América
trabalhou de modo a adotar estratégias que visavam cada vez mais a recompensa do uso de fontes
renováveis de energia, sob o crescente perigo de término das reservas de combustíveis fósseis tendo
sido, por exemplo, a biomassa de origem lenhosa responsável por 2% da energia consumida nos
EUA em 1973 [4]. McKendry considera que a chave para se combater os perigos do aquecimento
global passa inevitavelmente pela utilização de fontes de energia renováveis, sendo a biomassa a
mais comum [2].
O termo biomassa identifica qualquer tipo de fonte energética proveniente de plantas fotossintéticas
(terrestres ou aquáticas) e de resíduos orgânicos. No processo da fotossíntese, (figura 1.1), a energia
da radiação solar é armazenada sob a forma de glicose nas ligações químicas das plantas que, ao
serem quebradas através de combustão, digestão ou decomposição, libertam esta energia.
Figura 1.1 – Representação esquemática do processo de fotossíntese.
De acordo com a International Energy Agency, a biomassa e todos os tipos de energia com ela
relacionados representam 10% da energia final utilizada a nível global [5]. Adicionalmente, a mesma
fonte refere que, só no ano de 2010, a energia proveniente de biomassa e derivados foi responsável
pela produção de 280 TWh de eletricidade, bem como 8 EJ de calor. É esperado que no ano de 2050
a utilização de biomassa forneça 200 EJ de energia anuais, um aumento significativo tendo em conta
os atuais valores. Williams et al. [6] defendem também que a substituição de carvão por biomassa
nas centrais de produção de eletricidade diminuiria significativamente as emissões de CO2 para a
atmosfera. Todavia, comparativamente ao carvão, a biomassa apresenta um teor mais reduzido de
carbono e mais elevado de oxigénio e hidrogénio, comportando-se na maioria das vezes como um
carvão de baixa gama [3]. Em Portugal, no ano de 2011, a disponibilidade anual de biomassa residual
era de 3,5 Mton, e a indústria de pellets contava com uma capacidade instalada de cerca de 12 Mton
anuais [7]. Ainda assim, 85% da energia consumida internamente é proveniente de importações [8].
3
A queima de biomassa é um dos processos mais antigos utilizados pelo Homem para obter energia,
uma vez que a madeira e outros resíduos de origem vegetal são utilizados como combustível desde a
descoberta do fogo. O principal motivo (e aquele que é ecologicamente mais atrativo) da utilização
desde tipo de energia é o facto do balanço das suas emissões de dióxido de carbono ser virtualmente
nulo. Isto acontece porque o CO2 libertado equivale àquele que é consumido durante o crescimento
da matéria em si, num processo que é chamado de ciclo do carbono (figura 1.2). No entanto, existem
alguns problemas inerentes à utilização deste combustível, nomeadamente a emissão de matéria
particulada (particulate matter, PM), que é abordado neste trabalho.
Figura 1.2 - Ciclo do carbono.
1.2 Fundamentos
A biomassa é constituída por quantidades variáveis de celulose, hemicelulose, lenhina e pequenas
quantidades de lípidos, proteínas, açúcares e amidos [3]. Contém também frações de compostos
inorgânicos e de água (humidade). As propriedades intrínsecas de cada biomassa são os fatores que
determinam qual a mais indicada para utilizar num determinado processo energético [2]. Estas
propriedades são: teor de humidade, poder calorífico, razão de carbono fixo/voláteis, teor de cinzas,
quantidade de metais alcalinos e razão celulose/lenhina.
O poder calorífico mede a quantidade de calor libertado na combustão em ar (MJ/kg para sólidos,
MJ/l para líquidos, MJ/m3 para gases). É expresso frequentemente como superior ou inferior, sendo o
poder calorífico superior (PCS) o conteúdo total de energia libertado na combustão em ar (incluindo o
calor latente contido no vapor de água). Representa assim o máximo de energia potencialmente
recuperável de uma fonte energética. No entanto, geralmente utiliza-se o valor de poder calorífico
inferior (PCI) como valor energético disponível, uma vez que o calor latente contido na humidade não
4
pode ser efetivamente utilizado. Os valores de PCS e PCI de alguns combustíveis sólidos estão
apresentados na tabela 1.1, onde se verifica com clareza que o poder calorífico da biomassa é mais
baixo que o dos carvões.
Tabela 1.1 – PCS e PCI de combustíveis sólidos típicos [9].
Combustível PCS [MJ/kg] PCI [MJ/kg]
Carvão 23,97 22,73
Coque 31,31 29,51
Carvão betuminoso 27,27 26,12
Biomassa herbácea 18,12 17,21
Resíduos de milho 17,42 16,37
Resíduos florestais 16,47 15,4
Bagaço de cana 16,36 15,05
A quantidade de voláteis de um combustível sólido é a quantidade de matéria que lhe pode ser
retirada através de aquecimento, incluindo humidade. O carbono fixo é a porção mássica que resta
na partícula depois da libertação destes voláteis. A quantidade de carbono fixo de uma biomassa
serve como indicativo do seu poder calorífico, sendo este tanto maior quanto maior a percentagem de
carbono. O mesmo acontece com o teor de lenhina, que está geralmente relacionado com o poder
calorífico de uma biomassa, de forma proporcional. O contrário ocorre com o oxigénio, cuja presença
tende a fazer diminuir o PCI de uma biomassa [3].
A análise elementar de um combustível é apresentada sob percentagens de carbono, azoto,
hidrogénio, oxigénio e enxofre, juntamente com o seu teor de cinzas. Estes valores dão-nos uma
ideia da facilidade com que a biomassa entra em ignição e subsequente gasificação, ou oxidação,
dependendo de como esta estiver a ser transformada. A relação entre as razões O:C e H:C nos
combustíveis sólidos e o poder calorífico pode ser ilustrada recorrendo ao diagrama de Van Krevelen
(figura 1.3). A biomassa, de maneira oposta ao carvão, apresenta os mais elevados índices O:C e
H:C e, consequentemente, o menor poder calorífico.
A desintegração química de uma dada biomassa, tanto termoquímica como bioquimicamente, origina
um resíduo sólido. Este resíduo é chamado de cinza, e constitui um dos principais parâmetros de
caraterização de combustíveis sólidos. A presença de elevadas quantidades de humidade e cinzas na
biomassa pode originar problemas relacionados com a sua combustão e ignição [11]. A composição
das cinzas de uma dada biomassa depende de fatores como os nutrientes a que ela teve acesso no
seu crescimento, a qualidade do solo, fertilizantes e condições meteorológicas. Estes fatores
influenciam as concentrações de elementos químicos como o potássio, sódio, cloro e fósforo,
magnésio e cálcio [3]. A presença destes metais alcalinos desempenha um papel importante no
processo de combustão, uma vez que a sua reação com o silício presente nas cinzas produz um
composto de fase líquida móvel e pegajosa, que pode bloquear a exaustão de fornalhas e caldeiras
5
[12]. Estes depósitos são geralmente denominados por escória (na literatura inglesa, slag) e a sua
presença pode reduzir a eficiência do processo e, consequentemente, elevar os seus custos
operacionais.
Figura 1.3 - Diagrama de Van Krevelen [10].
As principais vantagens da utilização de biomassa são aquelas referidas em 1.1: abundância,
renovabilidade e emissões mais reduzidas de gases de estufa. As suas principais desvantagens
como fonte de energia são o seu baixo poder calorífico (comparativamente ao carvão); a sua
natureza hidrofílica, que pode trazer problemas associados à dificuldade de ignição; e as
necessidades energéticas associadas aos seus processos de cultivo, tratamento, transporte e
conversão. Tratamentos como a torrefação podem contornar alguns destes problemas, e foram
abordados em trabalhos como [13].
1.3 Combustão de biomassa
As fases principais da combustão da biomassa encontram-se bem estabelecidas na comunidade
científica [14]. Em analogia à combustão de carvão, a combustão de biomassa ocorre em três fases
principais distintas: aquecimento e secagem; remoção e combustão dos voláteis (produzindo resíduo
carbonoso e emitindo gases e alcatrões); e, finalmente, a combustão do resíduo carbonoso. Em
certos casos, a volatilização e a combustão do resíduo carbonoso podem ocorrer simultaneamente
(nomeadamente a elevadas taxas de aquecimento). Este processo pode ser visualizado de uma
maneira mais simplificada na figura 1.4, e as suas fases resumidas nas seguintes subsecções.
6
Figura 1.4 - Fases da combustão de uma partícula de biomassa (adaptado de [15]).
1.3.1 Aquecimento e secagem
Nesta primeira fase, as partículas são aquecidas até à temperatura à qual começa a ocorrer a
libertação da humidade presente no combustível. É uma fase de alterações físicas, como por
exemplo a mudança do estado líquido para estado gasoso da água presente no interior da partícula
(o que ocorre em torno de 105 °C, à pressão atmosférica), o que origina fissuras na sua estrutura.
Estas fissuras podem ser responsáveis pela quebra da própria partícula, caso não haja libertação
rápida do vapor através dos seus poros. O aquecimento e a secagem são processos endotérmicos
controlados pela transferência de massa e calor, e dependem assim de variáveis importantes como a
dimensão inicial das partículas e a sua temperatura.
1.3.2 Libertação dos voláteis
A fase de libertação dos voláteis, ou volatilização, consiste na libertação da matéria volátil presente
na biomassa. Durante este processo, a temperatura da partícula aumenta e começa a haver
libertação da matéria combustível e não combustível, devido ao rompimento das cadeias moleculares
(celulose, hemicelulose e lenhina) e redes de anéis aromáticos.
7
Figura 1.5 - Volatilização de uma partícula de biomassa [16].
Como se pode observar na figura 1.5, existe uma distinção entre a fase primária da volatilização e a
fase secundária. Durante a fase primária ocorrem os processos endotérmicos responsáveis pela
decomposição da partícula original de biomassa e libertação de gases e alcatrões e formação do
resíduo carbonoso. Estes gases são geralmente constituídos por monóxido de carbono, dióxido de
carbono, hidrogénio e hidrocarbonetos. O resíduo carbonoso é principalmente constituído por cinzas
e carbono [17]. Os produtos deste processo dependem de diversos fatores, como o tamanho inicial
da partícula, e temperatura, tempo de residência e taxa de aquecimento da partícula.
1.3.3 Oxidação dos voláteis e do resíduo carbonoso
Nesta etapa, cada partícula sólida de biomassa dá origem a uma partícula de resíduo carbonoso.
Como já foi dito na subsecção anterior, o resíduo carbonoso é principalmente constituído por cinzas e
carbono, e constitui geralmente cerca de 10-30% da massa total da biomassa. Enquanto a oxidação
da matéria volátil ocorre em fase homogénea, a do resíduo carbonoso dá-se em fase heterogénea. O
conjunto de reações químicas na superfície da partícula são [18]:
É importante notar que no caso do carvão, o resíduo carbonoso apresenta uma forma mais ou menos
esférica ao longo de toda a combustão. No caso da biomassa as partículas apresentam uma forma
irregular. Este é um dos motivos que dificulta os estudos morfológicos na combustão de biomassa.
Na ótica de Klippel e Nussbaumer, estas irregularidades na estrutura da partícula dependem do teor
de celulose e na percentagem de potássio presente na biomassa [19].
C + O2 → CO2 (1.1)
2C + O2 → 2CO (1.2)
C + CO2 → 2CO (1.3)
C + H2O → CO + H2 (1.4)
8
1.4 Formação de matéria particulada
Durante a combustão de combustíveis sólidos, dá-se a formação não só de cinzas, mas também de
matéria particulada de reduzidas dimensões (PM), que pode não ser captada nos sistemas de
filtragem. Tendo a biomassa uma maior percentagem de voláteis que o carvão, durante a sua
combustão ocorre um maior número de processos físicos e químicos dando assim origem a uma
variedade mais vasta de partículas [17]. A literatura sugere que as duas principais causas destas
emissões são a combustão incompleta, originando resíduo carbonoso não queimado e fuligem (na
literatura inglesa, soot), e a própria matéria inorgânica contida na biomassa [20]. Estudos efetuados
por Winiika e Sippula revelam que a emissão de PM inorgânicas na combustão de biomassa está
relacionada com o conteúdo de cinzas e a respetiva composição [21]. Verma et al. observaram
também que os combustíveis com maior percentagem de Si nas cinzas produziam a menor
quantidade de emissões totais de PM [22].
1.4.1 Formação de cinzas
Na constituição da biomassa, para além dos elementos orgânicos, como C, H, N e O, encontram-se
também elementos inorgânicos que contribuem para a maior parte da constituição das suas cinzas. A
percentagem de cinzas da biomassa é, geralmente, mais reduzida que no carvão. No entanto as
composições diferem de um tipo de combustível para o outro, sendo as cinzas do carvão constituídas
principalmente por silicatos de alumínio e quartzo, e as da biomassa pelos elementos inorgânicos
enumerados na secção 1.2. Estes elementos, como foi referido, são especialmente sais alcalinos,
inclusões minerais provenientes tanto da estrutura do combustível como do próprio ambiente de
cultivo da biomassa, e materiais inorgânicos ligados ionicamente ao carbono [23]. Enquanto os
processos de formação de cinzas no carvão se encontram bem estabelecidos pela comunidade
científica, o mesmo não é verdade para a combustão de biomassa [24]. No caso do pinho, como o
utilizado neste trabalho, as cinzas são maioritariamente constituídas por Ca, Cl e K, como podemos
ver na análise efetuada (subcapítulo 3.1.1) e na literatura ([25], [26]).
Existem três mecanismos distintos responsáveis pela formação de partículas na combustão de
biomassa: vaporização e condensação, nucleação e aglomeração, representados na figura 1.6. O
primeiro, como o nome indica, consiste na vaporização de metais alcalinos presentes na biomassa
formando gases como HCl, KCl, K2SO4, Na2SO4 e NaCl. Seguidamente, pode-se dar a condensação
heterogénea (ou homogénea, nalguns casos) destes gases e fenómenos de nucleação e
aglomeração, originando partículas maiores no estado sólido ou líquido.
9
Figura 1.6 - Mecanismos de formação de partículas (adaptado de [21]).
1.4.2 Fragmentação
O fenómeno de fragmentação é uma importante preocupação associada à queima de combustíveis
sólidos. A matéria particulada representa um perigo tanto para o ambiente como para a saúde
humana a partir do momento em que ocorre a sua emissão para a atmosfera. Estes perigos
manifestam-se essencialmente através de complicações no sistema respiratório (figura 1.7). Define-
se PM como o conjunto de partículas sólidas ou líquidas emitidas diretamente para o ar ou
resultantes da reação de poluentes na atmosfera [27]. São agrupadas de acordo com o seu tamanho
médio, sendo mais relevantes as da categoria PM10 (caso apresentem diâmetro médio inferior a 10
µm), as partículas chamadas PM2,5 (de dimensões inferiores a 2,5 µm) e as PM1 (diâmetro inferior a 1
µm).
Figura 1.7 – Distribuição e deposição das PM10 e PM2.5 no sistema respiratório humano [28].
10
A ênfase dada a este tipo de emissões sucede, em muitos anos, à que era dada às emissões
gasosas na queima de combustíveis fósseis, tendo apenas sido apresentadas conclusões sob a
forma de estudos e artigos no final da década de 1970 [29]. Comparativamente aos combustíveis
fósseis gasosos e líquidos, a taxa de emissão de partículas finas da biomassa e a sua variedade são
superiores [3].
Para além dos já referidos problemas relativos à saúde humana e à atmosfera, a fragmentação de
partículas de biomassa também pode ter um impacto negativo na eficiência do próprio processo de
combustão, uma vez que o aumento da exposição de área superficial leva a um aumento da
reatividade térmica das partículas [5].
Este é um fenómeno que ultimamente tem recebido alguma atenção da comunidade científica, ainda
que haja poucos estudos sobre o mesmo no caso da biomassa. A maioria dos artigos e literatura
incide sobre a fragmentação de partículas na queima de carvão, uma vez que ainda é o combustível
sólido mais utilizado. Xu et al. [4] estudaram a fragmentação de partículas de carvão num reator de
queda livre, verificando que existe subdivisão nas fases finais do processo de combustão, o que
contribui para a diminuição do diâmetro médio das partículas. Durante a combustão de biomassa,
pode ocorrer fragmentação do resíduo carbonoso de duas maneiras diferentes [30]. A primeira,
chamada de fragmentação primária, ocorre nos estágios iniciais da alimentação e da queima devido a
forças de pressão e choque térmico. A segunda, denominada de fragmentação secundária, surge
como consequência do próprio processo de combustão, que enfraquece as ligações entre as
partículas de carbono.
Como já foi referido em 1.3.3, a combustão de carvão dá-se com o diâmetro da partícula mais ou
menos constante [4, 31], enquanto na queima de biomassa, as partículas apresentam uma forma
irregular, não sendo muitas vezes possível retirar conclusões definitivas sobre a sua fragmentação
[14]. Isto deve-se, entre outras coisas, à anisotropia dos materiais celulósicos [32].
1.5 Revisão bibliográfica
Nesta secção são resumidos os diversos artigos e publicações consultados nos primeiros estágios
deste trabalho. A sua consulta e interpretação constituíram um passo fundamental na elaboração da
presente tese e na compreensão dos resultados obtidos.
Haykiri-Acma et al. [5] estudaram o efeito da fragmentação e do tamanho inicial das partículas de
casca de avelã nas suas propriedades de combustão. Os autores consideraram este aspeto como
crítico, devido à elevada reatividade térmica destas partículas. Os ensaios foram realizados num
analisador térmico, e foi possível observar que o tamanho inicial das partículas afeta, principalmente,
a fase de volatilização. Adicionalmente, observaram também que a composição da matéria orgânica
extraída da combustão da casca de avelã era um excelente indicador da probabilidade da
11
fragmentação do combustível, e que certas zonas da partícula onde esta matéria está mais
concentrada dão origem a uma estrutura mais frágil, que tende a fragmentar.
Demirbas [11] publicou um estudo sobre as características de combustão de diferentes biomassas. O
autor defende que a co-combustão de biomassa com carvão apresenta vantagens quanto às
emissões: por unidade de energia produzida, as emissões são menores que na combustão apenas
de carvão. Isto pode ainda ajudar a ultrapassar determinados problemas característicos da queima de
biomassa, como a deposição de cinzas ou a estabilidade de chama.
Williams et al. [14] focaram-se no estudo das emissões de poluentes resultantes da queima de
biomassa sólida. Afirmaram que a crescente queima de biomassa em pequena-escala é responsável
pelo aumento da concentração de fuligem e NOx na atmosfera. Segundo os autores, a queima de
biomassa em equipamentos de grande escala representa a alternativa mais limpa, devido à eficiência
dos sistemas de tratamento dos gases de exaustão. E, finalmente, consideram que, de um modo
geral, não é seguro estabelecer paralelismos entre a emissão de partículas da combustão de
biomassa e de carvão, sendo necessários ainda mais estudos que aprofundem o conhecimento sobre
este fenómeno.
Johansson et al. [24] relacionaram a qualidade do combustível e parâmetros operacionais com a
emissão de PM na queima de pellets em caldeiras domésticas. Afirmaram que a queima destes
materiais origina emissões de nano partículas, como demonstrado em anteriores experiências, sendo
estas emissões maiores nos casos em que as condições de combustão não são favoráveis (alto teor
de humidade no combustível, deficiências no equipamento, excesso de ar reduzido). Demonstraram
que o teor de K, Cl e S do combustível também influencia a composição da matéria inorgânica
libertada e a concentração de partículas emitidas. Neste estudo, a emissão de partículas foi
dominada por dimensões abaixo de 1 µm, constituídas maioritariamente por K, Cl, S e O, tendo sido
também detetadas pequenas quantidades de Na, Mg e Zn.
Costa e Costa [25] estudaram a influência da torrefação de pinho, palha e caroço de azeitona na
ocorrência de fragmentação durante a sua combustão, num reator de queda livre. Foram obtidos
perfis de temperatura, taxa de oxidação do resíduo carbonoso, e concentração e distribuição de
tamanhos de partículas. As amostras foram também observadas num SEM. Chegou-se à conclusão
de que a torrefação da biomassa só promoveu a fragmentação no caso da palha. Concluiu-se
também que a biomassa de pinho origina menores emissões de PM, devido ao seu reduzido teor de
cinzas e à sua elevada taxa de oxidação do resíduo carbonoso. No caso do pinho, as cinzas
apresentam o maior valor de Ca e o menor valor de K, elemento que está associado à aglomeração
de cinzas.
Ferreira [26] estudou a concentração e composição química de partículas emitidas durante a
combustão de pinho, comparativamente a biomassas alternativas. Foram feitos ensaios de
12
combustão numa caldeira doméstica alimentada a pellets e numa fornalha laboratorial, e também
análises em SEM. O autor refere que a biomassa de pinho é uma das melhores opções disponíveis
atualmente para o enquadramento industrial relativamente às outras biomassas utilizadas (cortiça,
kiwi e plátano), devido às suas reduzidas emissões e poucos elementos problemáticos. No que toca à
composição química, as análises revelaram grandes quantidades de C em todas as partículas,
enquanto os elementos inorgânicos mais comuns foram o K, Cl e S.
Branco [30] estudou o efeito do tamanho inicial de partículas de biomassa na ocorrência de
fragmentação durante a sua queima num reator de queda livre. Foram utilizadas duas biomassas
(casca de arroz e palha) e três classes distintas de granulometria: 100-200 µm, 400-600 µm e 800-
1000 µm. Foram obtidos perfis de temperatura, taxas de oxidação do resíduo carbonoso,
concentração de partículas e distribuição dos seus tamanhos. As amostras foram ainda observadas
no SEM. O autor concluiu que a fragmentação é mais evidente nas duas gamas mais pequenas. Para
além disto, observou-se que Ca e P tendem a ser retidos nas partículas de maiores dimensões, tendo
o K e o Cl apresentado concentrações maiores nas partículas mais pequenas. Chegou também à
conclusão de que do ponto de vista de eficiência da combustão, não existe vantagem em separar o
combustível em granulometrias estreitas.
Almeida [33] estudou a ocorrência de fragmentação de partículas nos últimos estágios da combustão
de três diferentes biomassas e um carvão numa fornalha laboratorial. As biomassas utilizadas foram
cortiça, plátano e resíduos mobiliários. Foram obtidos perfis de taxas de oxidação do resíduo
carbonoso, temperaturas, concentração e distribuição de tamanhos de partículas, analisando ainda
as amostras num SEM. Foi observada a ocorrência de fragmentação em todos os combustíveis
menos nos resíduos mobiliários. Neste trabalho, o autor concluiu que o teor de elementos como Si e
Ca diminui com a redução do diâmetro das partículas, enquanto elementos como K aumentam no
caso do plátano e resíduos mobiliários.
Garcia-Maraver et al. [34] também estudaram a relação entre a qualidade do combustível e as suas
emissões sólidas e gasosas numa caldeira doméstica alimentada a pellets. Nesta experiência foram
usados cinco tipos de pellets e condições diferentes de ensaio, medindo as emissões em cada um
deles. Verificaram que as pellets provenientes de pinho, juntamente com as de cortiça, eram as que
menos emissões originavam. Finalmente, observaram que as emissões de PM eram dominadas por
PM2.5, uma característica que verificaram ser bastante influenciada pelo teor de cinza do combustível
(nomeadamente pela quantidade de matéria volátil inorgânica baseada nos elementos K e Na,
confirmando também o que era reportado na literatura).
Hays [35] caracterizou química e fisicamente as partículas emitidas na queima de biomassa para fins
agrícolas. Estas emissões eram constituídas maioritariamente por PM2.5, que o autor considerou
serem a principal ameaça à saúde proveniente destas queimas, juntamente com os seus percursores
em fase gasosa. Para além dos perigos para a saúde humana, Hays baseou-se nos estudos
13
antecedentes de outros autores (Kaufman, 2002 e Chan, 1999) e afirmou que o próprio clima e os
ciclos hidrológicos são afetados por estas emissões. Neste estudo, foram utilizadas duas fontes de
biomassa: resíduos de arroz e trigo. Enquanto a PM da queima de resíduos de trigo era constituída
maioritariamente por K e Cl, a da queima dos resíduos de arroz continha um maior teor de C. Os
resultados observados no que toca à distribuição de tamanhos das partículas indicaram uma média
de diâmetros abaixo dos 120 nm para os resíduos de trigo, e de 643 nm para os resíduos de arroz. O
autor chegou à conclusão que as emissões em massa de PM2.5 da queima de resíduos de trigo foram
superiores à da queima de resíduos de arroz.
Vassilev et al. [36] analisaram quimicamente em base seca um conjunto de biomassas, fazendo a
separação entre elementos que surgiam numa quantidade maior que 1%, 0,1-10% e < 0,1%. Indicam
que, no geral, a composição da biomassa é altamente variável e diferente da do carvão, e esta pode
sofrer alterações durante o ciclo de vida do combustível através de contaminações do solo, nutrientes
a que a biomassa é exposta, e modo de processamento. A análise indicou em maior quantidade a
existência de C, O, H, N, Ca e K em todas as biomassas, seguidos de Si, Mg, Al, S, Fe, P, Cl e Na.
Algumas amostras também incluíam elementos residuais como Ti e Mn.
1.6 Objetivos
O objetivo desta dissertação é estudar a influência do tamanho original das partículas de biomassa
(pinho) na concentração e composição das partículas emitidas de uma fornalha laboratorial existente
no laboratório de combustão do Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto Superior Técnico.
Para este estudo, foi escolhido o pinho como biomassa a utilizar. O combustível, adquirido sob a
forma de pellets, foi triturado até apresentar dimensões inferiores a 1000 µm (1 mm), e
posteriormente peneirado em três granulometrias distintas: < 250 µm, 250-500 µm e 500-710 µm, de
maneira a estabelecer uma relação entre o tamanho original das partículas e as emissões de PM.
Como medida de comparação, foram também efetuados ensaios com a granulometria inicial
resultante da moagem.
Finalmente, e de maneira a complementar a base de resultados, algumas amostras foram
examinadas num SEM relativamente à sua morfologia e composição química.
1.7 Estrutura da tese
A presente tese é constituída por quatro capítulos, sendo este o primeiro (Introdução). No capítulo 2
descreve-se a instalação experimental, a instrumentação utilizada, os procedimentos experimentais e
as incertezas associadas. O capítulo 3 é dedicado à apresentação e discussão dos resultados
obtidos, e o capítulo 4 resume as conclusões deste estudo e apresenta propostas para trabalho
futuro.
14
Capítulo 2
Instalação experimental e metodologia
2.1 Fornalha laboratorial
Este trabalho foi efetuado na fornalha laboratorial existente no laboratório de combustão do
Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto Superior Técnico (figura 2.1).
Figura 2.1 – Fornalha laboratorial.
A fornalha está preparada para receber combustíveis sólidos, líquidos e gasosos. Sendo de grandes
dimensões, permite simular com alguma aproximação o fenómeno de combustão da biomassa em
instalações industriais, tendo sido projetada para uma potência de 0,5 MW. De seguida apresenta-se
uma breve descrição da fornalha, adaptada das descrições de [33] e [37].
A fornalha é constituída pelos seguintes principais componentes (figura 2.2):
i) Câmara de combustão;
ii) Queimador;
iii) Sistema de ignição;
iv) Sistema de exaustão;
v) Sistema de alimentação de combustíveis e de ar.
15
De seguida, é apresentada uma descrição resumida de cada um destes componentes.
Figura 2.2 – Representação esquemática da fornalha laboratorial [26].
2.1.1 Câmara de combustão
A câmara de combustão, de forma cilíndrica, tem o seu eixo orientado na vertical de maneira a
minimizar as assimetrias causadas pela convecção natural, e também para reduzir a taxa de
deposição de partículas nas suas paredes. O queimador (figura 2.3) encontra-se no topo da câmara
de combustão, o que torna mais fácil a remoção das partículas resultantes da queima. Esta estrutura
é constituída por oito sectores arrefecidos a água, cada um deles com um diâmetro interno de 0,6 m e
uma altura de 0,3 m. O teto da fornalha, assim como os primeiros quatro segmentos, está revestido
por um cimento refratário que suporta temperaturas até 1500 °C. Entre este cimento refratário e a
água de arrefecimento, encontra-se uma manta de fibra cerâmica com 0,05 m de espessura.
Cada um destes oito segmentos da fornalha possui um par de janelas circulares que permitem
visualizar o interior da câmara de combustão e para introduzir sondas. A monitorização da chama na
janela do primeiro segmento é feita com o auxílio de uma célula fotoelétrica, e numa das janelas do
último segmento está montado um dispositivo de segurança.
Nos primeiros quatro segmentos, estão instalados termopares do tipo R (Pt/Pt:13%Rh) que
monitorizam a temperatura da superfície interior da câmara de combustão. De modo a monitorizar as
temperaturas de entrada e saída da água de arrefecimento, estes segmentos estão também
equipados com termopares do tipo J (Fe/Cu-Ni). O caudal de água de arrefecimento é proveniente da
rede pública de água, sendo regulado com o auxílio de uma válvula e medido com o auxílio de um
rotâmetro. A pressão estática nestes quatro segmentos é monitorizada no painel de controlo da
fornalha.
i)
ii)
iii)
iv)
v)
16
Figura 2.3 – Representação esquemática do queimador (adaptado de [37]).
2.1.2 Queimador
O queimador (figura 2.3) é constituído por três tubos concêntricos. O tubo exterior é fabricado em
cimento refratário e tem um diâmetro interno de 56 mm. No final deste tubo, encontra-se uma tubeira
divergente (quarl) com um ângulo de 60°. O tubo central é constituído por aço inoxidável. É neste
tubo central que se introduz o ar primário e o combustível sólido. Finalmente, o tubo intermédio,
também constituído de aço inox, é utilizado para a introdução de gás natural.
O ar secundário que entra no tubo refratário passa anteriormente por um gerador de rotação de
blocos, colocado numa caixa cilíndrica de aço inoxidável, semelhante ao descrito em [39], que está
representado na figura 2.4 Este gerador de rotação de blocos permite variar o nível de rotação
imposta ao ar secundário (número de rotação S), variando a posição dos blocos. O número de
rotação do ar secundário foi definido em Béer e Chigier [40] como:
𝑆 =𝐺𝜃
𝐺𝑥𝑅 (2.1)
onde 𝐺𝜃 representa o fluxo axial de quantidade de movimento tangencial, 𝐺𝑥 representa o fluxo axial
de quantidade de movimento axial e 𝑅 representa o raio do tubo exterior do queimador.
A rotação imposta ao ar secundário, juntamente com a tubeira divergente, leva ao estabelecimento de
uma zona de recirculação interna (ZRI). Esta ZRI desempenha um papel fundamental na
estabilização da chama. O ar secundário é fornecido através de um ventilador de velocidade variável,
17
e o seu caudal é determinado através de um orifício calibrado que se situa a montante da entrada do
ventilador. O ar entra no sistema através de quatro entradas dispostas radialmente, de modo a
promover a simetria do seu escoamento.
Figura 2.4 – Representação esquemática do gerador de rotação de blocos [37].
2.1.3 Sistema de ignição
A ignição da chama principal faz-se com o auxílio de uma chama piloto. O ar para a combustão desta
chama é fornecido através de um ventilador. A alimentação do queimador é feita por gás natural a 22
mbar, sendo a ignição promovida por uma descarga elétrica de alta voltagem, através de um elétrodo.
O queimador é desligado manualmente, assim que a chama principal é estabelecida.
2.1.4 Sistema de exaustão
O sistema de exaustão (figura 2.5) está instalado depois do último segmento da fornalha. Este
sistema reduz a temperatura dos gases da combustão e também a quantidade de partículas que são
libertadas para a atmosfera. A lavagem e o arrefecimento dos gases de combustão são feitos com o
auxílio de um injetor central, que produz um chuveiro cónico responsável tanto pelo arrefecimento dos
gases, como pela remoção das partículas que se formaram durante a combustão. Depois do injetor
central, encontram-se dois injetores dispostos diametralmente que produzem jatos planos que
formam uma cortina de água, reforçando o efeito de arrefecimento e limpeza do chuveiro cónico
central. As partículas sólidas ficam retidas numa tina de água, que também sela a fornalha. Nesta
18
tina, o nível de água mantém-se constante de modo a que não ocorram perturbações do escoamento
no interior da câmara de combustão. A exaustão dos gases faz-se tangencialmente de modo a
empurrar as partículas sólidas de encontro à parede, por ação centrífuga. Estas partículas são
posteriormente arrastadas para a tina, com o auxílio da água dos chuveiros. A conduta que faz a
ligação da exaustão da fornalha à conduta de exaustão do laboratório tem uma abertura variável, que
permite regular o nível da pressão no interior da câmara de combustão. Neste e noutros trabalhos
efetuados na fornalha, o nível de pressão foi mantido constante e à pressão atmosférica, de modo a
minimizar a entrada de ar exterior na fornalha.
Na conduta de exaustão está situado um ciclone (figura 2.6) que retém as partículas que não ficaram
no primeiro módulo de exaustão da fornalha. Estas partículas são removidas do escoamento por ação
da força centrífuga e são retidas no recipiente, sendo os restantes gases evacuados através do tubo
central do ciclone até à exaustão do laboratório.
Figura 2.5 – Representação esquemática do sistema de exaustão da fornalha [37].
19
Figura 2.6 – Representação esquemática do ciclone [37].
2.1.5 Sistema de alimentação de combustível
Neste estudo foram utilizados dois combustíveis distintos: como combustível gasoso, o gás natural, e
como combustível sólido, o pinho pulverizado. O caudal de gás natural fornecido à instalação é
medido com o auxílio de um caudalímetro digital. O combustível gasoso é fornecido de modo
independente ao sistema de ignição e ao queimador da fornalha.
O sistema de alimentação de combustíveis sólidos (figura 2.7) é baseado num princípio de loss-in-
weight, ou seja, o caudal é determinado através da diferença de peso de material contido no silo num
determinado intervalo tempo estabelecido. O controlo do caudal é assegurado através da variação de
vibração do alimentador, recorrendo a um potenciómetro, de maneira a promover uma alimentação
constante durante toda a análise.
O sistema de alimentação de combustíveis sólidos é constituído por um silo ao qual está acoplado um
vibrador elétrico que auxilia na prevenção do bloqueio do combustível durante a sua utilização, o que
poderia dificultar uma alimentação constante. O combustível é fornecido à fornalha por um
alimentador vibrante, o qual é controlado por um potenciómetro e uma balança eletrónica sobre a
qual está colocado todo o sistema. Esta balança está equipada com uma interface RS 232 que se
encontra ligada a um computador que mede o caudal com o auxílio de um software desenvolvido
para o efeito, através da perda de peso do sistema.
20
Figura 2.7 – Representação esquemática do sistema de alimentação de combustíveis sólidos [37].
A biomassa é alimentada a um tubo vertical com um diâmetro de 130 mm, caindo de seguida no
injetor por efeito da gravidade. Dois manómetros posicionados no tubo monitorizam a queda de
pressão, que auxilia a alimentação do combustível sólido ao queimador. O controlo desta queda de
pressão pode ser feito regulando o caudal de ar primário.
2.1.6 Sistema de alimentação de ar primário e secundário
A alimentação de ar primário é feita através de um compressor de 10 bar, e o seu caudal é medido
com o auxílio de um rotâmetro. O ar é direcionado para o queimador juntamente com o combustível,
através de um tubo flexível.
A alimentação de ar secundário é feita através de um ventilador (ver secção 2.1.1), e o seu caudal
determinado recorrendo a um orifício calibrado situado a montante da entrada do ventilador (figura
2.2).
2.2 Operação e segurança
Existe um conjunto de ações que têm de ser verificadas de modo a garantir um uso correto e seguro
da fornalha. Antes de ligar a instalação, o sistema de exaustão do laboratório e o ventilador de ar
secundário são ligados durante cerca de 10 minutos para realizar a purga da câmara de combustão
com ar, evitando possíveis deflagrações de misturas reativas residuais de experiências anteriores.
21
Seguidamente, é necessário ligar os circuitos de água de arrefecimento das paredes da fornalha e os
chuveiros de lavagem dos gases de exaustão.
Depois de efetuada a purga da câmara de combustão, estabelece-se a chama piloto para a ignição
do gás natural. Esta ignição é feita manualmente através de um elétrodo. Seguidamente, verifica-se o
estabelecimento da chama por inspeção visual, na janela localizada no primeiro segmento da
fornalha. Caso esta chama se extinga, o fornecimento de gás natural deve ser interrompido.
Após cerca de 5 horas a funcionar nestas condições, termina a fase de pré-aquecimento. As
temperaturas das paredes dos quatro primeiros segmentos terão atingido valores na ordem de 800 °C
e poderá assim começar o ensaio experimental. Os caudais de ar, gás natural e biomassa são então
estabelecidos, e podem-se então iniciar as medições após se atingirem condições estacionárias.
Como foi referido na secção 2.1, o interior da câmara da combustão é preferencialmente mantido à
pressão atmosférica, para evitar contaminações com ar proveniente do exterior. Este equilíbrio de
pressão é garantido manuseando a abertura do estabilizador referido anteriormente.
2.3 Metodologia experimental
2.3.1 Medição da concentração de espécies gasosas
A medição da concentração de espécies gasosas antecedeu cada ensaio de maneira a estabelecer
as condições de trabalho desejadas, e foi feita com a ajuda de uma sonda de aço inoxidável
arrefecida a água, de um sistema de amostragem e analisadores. As linhas do sistema de
amostragem são fabricadas em teflon (PTFE), uma vez que se trata de um material inerte. Isto
impede que haja contaminações durante a recolha e análise das amostras. A sonda utilizada (figura
2.8) é fabricada em aço inoxidável, e no seu interior circula água que promove o seu arrefecimento
convectivo indireto.
Figura 2.8 – Representação esquemática da sonda de recolha dos gases de exaustão [37].
22
A recolha dos gases foi feita colocando a sonda na janela do segmento 8 da fornalha durante a
primeira fase de cada ensaio. As amostras são transportadas até ao sistema representado na figura
2.9, que mostra toda a linha de recolha e análise de espécies gasosas. A linha de transporte é
aquecida por intermédio de uma resistência, para reduzir ao máximo a condensação do vapor de
água durante o seu transporte. Isto poderia levar à dissolução de certas espécies presentes no gás. A
água é retirada através do condensador e os seus restantes vestígios, se existirem, são retirados
através do secador.
Figura 2.9 – Representação esquemática do sistema de recolha e análise de espécies gasosas [37].
O filtro presente entre o secador e a bomba de diafragma é responsável pela retenção de partículas
sólidas que possam estar presentes no gás. As amostras, uma vez livres de vapor de água e de
partículas, são analisadas nos analisadores de gases (tabela 2.1), e os valores das concentrações
obtidos em base seca. Como é possível ver também na figura 2.9, os sinais analógicos dos
analisadores são convertidos com recurso a um conversor A/D de 12 bit e armazenados num
computador. Os analisadores foram calibrados usando os gases listados na tabela 2.2.
Tabela 2.1 – Analisadores de gases.
Espécie Método Gama Analisador
O2 Paramagnetismo 0-5/25% Horiba CMA-331 A
CO2 Não-dispersivo de IV 0-10/50% Horiba CMA-331 A
CO Não-dispersivo de IV 0-500/1000 ppm Horiba CMA-331 A
NOx Quimiluminescência 0-500 ppm Horiba CMA-331 A
HC Deteção por ionização de chama 0-10/100 ppm Amluk FID E 2020
23
Tabela 2.2 – Calibração dos analisadores.
Espécie Concentração
O2 0; 20,9%
CO2 0; 8%
CO 0; 800 ppm
NOx 0; 92 ppm
HC 0; 80 ppm (C3H8)
As incertezas de medição associadas a este processo devem-se principalmente às perturbações
originárias da sonda, aos erros associados a uma amostragem não isocinética, à eficiência do
congelamento das reações e à possível dissolução de espécies químicas em água. No presente
trabalho, dado que as medidas foram efetuadas somente à saída da fornalha, estas incertezas são
desprezáveis. Isto deve-se a um perfil radial de concentrações uniforme das espécies químicas nesta
zona da instalação.
2.3.2 Recolha do resíduo carbonoso
As amostras de resíduo carbonoso foram recolhidas utilizando a mesma sonda usada na recolha de
gases. O sistema completo é constituído por uma sonda, um balão de Erlenmeyer e um ejetor (figura
2.10). O princípio de funcionamento deste sistema rege-se pela diferença de pressão causada no
ejetor aquando da passagem do jato de ar pelo mesmo. Isto provoca uma queda de pressão no
interior do balão de Erlenmeyer, sugando os gases de combustão através da sonda para o seu
interior. Esta amostra fica suspensa em água no balão, sendo os gases libertados através do ejetor.
Figura 2.10 – Representação esquemática do sistema de recolha do resíduo carbonoso [37].
Após a recolha das partículas e remoção manual da maior parte da água, secou-se as amostras
numa estufa a 110 °C de modo a retirar toda a água da sua composição. De seguida, procedeu-se à
pesagem da amostra seca, à sua determinação da percentagem de cinzas numa mufla (figura 2.11),
seguida de uma última pesagem.
24
Figura 2.11 – Fotografia da Mufla Nabertherm.
A percentagem de resíduo carbonoso oxidado (burnout) foi calculada tendo em conta a percentagem
de cinzas, através da equação 2.2 [31].
𝑅𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜 𝐶𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜𝑠𝑜 𝑂𝑥𝑖𝑑𝑎𝑑𝑜 [%] = 1 −
𝑊𝑘
𝑊𝑥
1 − 𝑊𝑘∗ 100
(2.2)
onde 𝑊𝑘 representa a fração mássica de cinzas da biomassa (base seca) e 𝑊𝑥 representa a fração
mássica de cinzas no resíduo carbonoso (base seca). As incertezas deste método estão relacionadas
com a volatilidade das cinzas a elevadas temperaturas e com a sua solubilidade em água, sendo
desprezáveis no presente estudo [13].
2.3.3 Medição da concentração de partículas
As partículas sólidas resultantes da combustão também foram recolhidas utilizando uma sonda de
aço inoxidável arrefecida a água (figuras 2.12 e 2.13). Esta sonda foi projetada de maneira a
minimizar perturbações no escoamento e a assegurar que as reações químicas eram rápida e
devidamente congeladas, mediante a injeção de azoto através de orifícios na sua extremidade. A taxa
de diluição do azoto foi obtida com a seguinte expressão [41]:
25
onde 𝐷𝑅 representa a taxa de diluição do azoto, 𝐶𝑠𝑑 a concentração de CO2 sem diluição e 𝐶𝑐𝑑 a
concentração de CO2 com diluição. Para os presentes ensaios, foi utilizada uma taxa de diluição igual
a 20. Este valor teve em conta anteriores ensaios na fornalha para chamas de potência semelhante e
um compromisso entre a minimização de condensação na sonda e um congelamento eficaz das
reações.
Figura 2.12 – Representação esquemática do sistema de recolha de partículas (sonda e impactors, adaptado de
[26]).
Figura 2.13 – Representação esquemática da sonda de recolha de partículas [26].
De modo a identificar e a quantificar a distribuição de tamanhos das PM resultantes da combustão,
foram usados dois tipos diferentes de impactor em cascata de baixa pressão (LPI): DLPI-13 (Dekati
Low Pressure Impactor) e LPI-3 (da marca TCR Tecora), de 13 e 3 estágios, respetivamente. Estes
instrumentos permitem capturar no mesmo ensaio gamas diferentes de partículas em filtros de
microfibra de alumínio (DPLI-13) ou quartzo (LPI-3), sendo estes últimos secos e pesados antes e
após cada ensaio. De modo a evitar que ocorresse condensação do vapor de água presente nos
produtos de combustão, foi utilizada uma manta térmica Winkler (modelo WOTX1187) para manter o
impactor a uma temperatura de cerca de 150 °C.
𝐷𝑅 =𝐶𝑠𝑑
𝐶𝑐𝑑 (2.3)
26
A distribuição de tamanhos do LPI-13 (figura 2.15) compreende 13 dimensões distintas entre 0,03 µm
e 10 µm, mais especificamente: 0,0282 µm; 0,0559 µm; 0,0927 µm; 0,153 µm; 0,259 µm; 0,379 µm;
0,608 µm; 0,940 µm; 1,59 µm; 2,37 µm; 3,96 µm; 6,63 µm; 9,84 µm. De maneira semelhante ao LPI-
3, também foi utilizada a manta térmica de modo a evitar a condensação da humidade nas amostras.
Figura 2.14 – Representação esquemática do DLPI-13 [26].
O LPI-3 (figura 2.15) captura PM em 3 gamas diferentes: diâmetros superiores a 10 µm, partículas
com diâmetros entre 2,5 e 10 µm, e partículas com diâmetro inferior a 2,5 µm.
Figura 2.15 – Representação esquemática do LPI-3 [26].
27
2.3.4 Microscópio eletrónico
O microscópio eletrónico utilizado foi o existente no laboratório de Engenharia Mecânica do Instituto
Superior Técnico (figura 2.16). Trata-se do modelo JSM-7001F, da marca JEOL.
Figura 2.16 – Microscópio eletrónico de varrimentos (SEM).
O seu princípio de funcionamento consiste na emissão de um feixe de eletrões de varrimento, que
incide sobre uma determinada área produzindo imagens de alta resolução e aspeto tridimensional.
2.3.5 Distribuição de tamanhos de partículas
A distribuição dos tamanhos médios das partículas de combustível foi medida com o analisador de
partículas Malvern 2600 existente no laboratório (figura 2.17). A técnica utilizada baseou-se na
difração de Fraunhofer de um raio de luz monocromática paralelo, causada pelo movimento das
partículas de biomassa.
28
Figura 2.17 – Sistema analisador de partículas Malvern 2600.
29
Capítulo 3
Resultados experimentais
3.1 Condições experimentais
3.1.1 Caracterização dos combustíveis
Os combustíveis utilizados neste estudo foram gás natural, proveniente da Lisboagás, e pinho
fornecida pela Green Power, originalmente sob a forma de pellets (figura 3.1).
Figura 3.1 – Pellets de pinho.
O pinho é proveniente de Portugal, e as suas propriedades químicas encontram-se na tabela 3.1. A
caracterização foi feita no laboratório para caracterização de resíduos do Centro para a Valorização
de Resíduos (CVR), de acordo com as normas vigentes. A análise imediata foi feita segundo as
normas CEN/TS 15414:2006, CEN/TS 15402:2006 e CEN/TS 15403:2006. A análise elementar foi
feita segundo a norma CEN/TS 15104 para o carbono, hidrogénio e azoto, e de acordo com a norma
CEN/TS 15408 para o enxofre. Os poderes caloríficos superiores e inferiores foram obtidos de acordo
com a norma CEN/TS 14918:2015 e a composição das cinzas da biomassa foi determinada utilizando
espectrometria de fluorescência de raios X.
30
Tabela 3.1 – Propriedades químicas do pinho utilizado.
Humidade Voláteis Carbono fixo Cinzas PCI (MJ/kg)
< 250 µm 6,8 83,4 16,2 0,4 19,1
250-500 µm 7,3 83,3 16,4 0,3 19,4
500-710 µm 7,9 82,6 17 0,3 19,5
< 1000 µm 6 84 15,7 0,3 19,1
Carbono Hidrogénio Enxofre Azoto Oxigénio
< 250 µm 53,8 7,3 <0,02 <0,05 38,9
250-500 µm 54,4 7,3 <0,02 <0,05 38,3
500-710 µm 54,6 7,2 <0,02 <0,05 38,2
< 1000 µm 54,2 7,3 <0,02 <0,05 38,5
As propriedades do gás natural são apresentadas na tabela 3.2.
Tabela 3.2 – Propriedades do gás natural (fonte: Lisboagás).
Uma vez que o objetivo deste trabalho passa por relacionar a emissão de PM com o tamanho original
das partículas de biomassa, foi feita a moagem e peneiração das pellets em três granulometrias
distintas, cuja aparência pode ser observada e comparada na figura 3.2. Para fins comparativos, foi
também utilizada a granulometria resultante da moagem, isto é, todas as gamas de tamanhos abaixo
de 1000 µm. A torre de peneiros e o moinho de lâminas utilizados são mostrados nas figuras 3.3 e
3.4, respetivamente.
CH4 C2H6 N2 C4H10 C3H8 C5H12 C6H14 CO2 He
83,7 7,6 5,4 0,7 1,9 0,2 0,1 0,2 0,2
Poder calorífico superior (MJ/kg) 53,8
Poder calorífico inferior (MJ/kg) 48,6
31
Figura 3.2 – Granulometrias utilizadas: a) <1000 µm; b) 500-710 µm; c) 250-500 µm; d) <250 µm.
(a) (b)
(c) (d)
32
3.1.2 Condições de operação da fornalha
Na tabela 3.3 são resumidas as condições de operação da fornalha.
Tabela 3.3 – Condições de operação da fornalha.
Parâmetro < 250 µm 250-500 µm 500-710 µm < 1000 µm
Potência da chama (kW) 100
Potência da biomassa (kW) 40
Coeficiente de excesso de ar 1,15
Número de rotação do ar secundário 1,45
Caudal de ar primário (kg/h) 5
Caudal de ar secundário (kg/h) 119,4 119,3 118,9 119,9
Caudal de biomassa (kg/h) 7,54 7,42 7,39 7,54
Caudal de gás natural (m3/h) 5,7
Na tabela 3.4 apresentam-se as concentrações das espécies químicas e a taxa de oxidação do
resíduo carbonoso na exaustão da fornalha para as condições de operação da fornalha estudas.
Figura 3.3 – Fotografia da torre de peneiros Gilson
SS-15.
Figura 3.4 – Fotografia do moinho Retsch.
33
Tabela 3.4 – Concentração das espécies químicas e taxa de oxidação do resíduo carbonoso na exaustão da
fornalha para as condições de operação da fornalha estudadas.
Espécie < 250 µm 250-500 µm 500-710 µm < 1000 µm
O2 (%, volume seco) 3,1 3,3 6,1 5,4
CO2 (%, volume seco) 12,5 11,9 9,5 10
CO (%, volume seco) 0,2 0,2 0,2 0,2
NOx (ppm, volume seco) 84 12 20,2 16,9
HC (ppm, volume seco) 18 71,5 122,1 62,1
Oxidação do resíduo
carbonoso (%) 99,4 96,4 90,5 91,4
3.2 Resultados
3.2.1 Oxidação do resíduo carbonoso
Como se pode observar na tabela 3.4, a taxa de oxidação do resíduo carbonoso apresenta valores
inversamente proporcionais às dimensões médias das partículas de pinho alimentadas à fornalha. Os
valores mais elevados para a taxa de oxidação do resíduo carbonoso foram obtidos para a
granulometria < 250 µm, mais de 99% à saída da fornalha. À medida que o tamanho médio das
partículas alimentadas à fornalha aumenta, o valor da taxa de oxidação do resíduo carbonoso
diminui, até um mínimo de 90,5% para a granulometria 500-710 µm. Esta diminuição da taxa de
oxidação do resíduo carbonoso pode ser explicada pelo aumento do tamanho médio das partículas,
que necessitam de tempos de residência mais longos para queimar completamente. A diminuição da
taxa de oxidação do resíduo carbonoso é acompanhada pelo aumento da percentagem de oxigénio
na composição dos gases de exaustão (tabela 3.4) e de resíduos de partículas não queimadas na
tina da fornalha. O aumento da percentagem de oxigénio seria esperado ainda que em taxas
inferiores; isto pode ter-se devido à contaminação de ar exterior ou às condições de combustão
incompleta nas granulometrias maiores.
3.2.2 Concentração de partículas
A figura 3.5 mostra a concentração de partículas na exaustão da fornalha, obtidas com o impactor de
três estágios, para as condições de operação da fornalha estudadas. Em todos os casos, as
emissões de partículas são dominadas por partículas com diâmetros inferior a 2,5 µm (PM2.5), que
são emitidas em maior quantidade à medida que o tamanho inicial do combustível sólido aumenta. As
partículas com diâmetro superior a 10 µm (PM10) revelam concentrações ligeiramente superiores nas
maiores granulometrias maiores, devido às taxas de oxidação mais reduzidas; as partículas
intermédias PM2.5-10 estão presentes também em todos os casos, ainda que em maior concentração
nas duas granulometrias mais reduzidas, isto é, < 250 µm e 250-500 µm. Importa, ainda, destacar a
presença quase exclusiva de PM2.5 nas emissões de partículas para a granulometria < 1000 µm. Isto
pode dever-se à maior percentagem de partículas entre 250 e 500 µm nesta granulometria, algo que
34
foi observado no analisador de partículas Malvern 2600 e no próprio processo de peneiração da
biomassa. Assim, a maioria das partículas recolhidas pode refletir um comportamento mais
aproximado à granulometria 250-500 µm.
Figura 3.5 – Concentração de partículas na exaustão da fornalha, obtidas com o impactor de três estágios, para
as condições de operação da fornalha estudadas.
A figura 3.6 mostra a concentração de partículas na exaustão da fornalha, obtidas com o impactor de
treze estágios, para as condições de operação da fornalha estudadas. Como se pode observar, a
distribuição é unimodal em todos os casos, com os picos da distribuição situados em valores
inferiores a 1 µm. Isto indica-nos que a grande maioria das partículas emitidas pertence à gama PM1,
ou seja, matéria particulada com diâmetro aerodinâmico inferior a 1 µm. As granulometrias maiores
são responsáveis por maiores emissões de partículas e pelos tamanhos mais reduzidos de partículas
emitidas, com o pico da granulometria 500-710 µm e <1000 µm situado em torno de 0,1 µm.
35
Figura 3.6 – Concentração de partículas na exaustão da fornalha, obtidas com o impactor de treze estágios,
para as condições de operação da fornalha estudadas.
3.2.3 Composição química e morfologia
Após os ensaios, foram selecionadas amostras para observação no SEM, para analisar a sua
morfologia e composição química. Foram inspecionadas amostras referentes a diferentes substratos
dos impactors de 3 e 13 estágios. A figura 3.7 mostra o aspeto típico das partículas recolhidas no
último segmento da fornalha laboratorial para cada granulometria utilizada, recorrendo aos substratos
2 e 3 do impactor de 3 estágios.
Estudos antecedentes (por exemplo, [14], [32], [33]) referem a dificuldade de identificar e classificar
estruturas nas amostras de biomassa, devido à anisotropia dos materiais celulósicos. O aspeto que
dominou neste caso foi o de pequenos aglomerados e formas irregulares, o que confirma a
informação de que as partículas de biomassa variam a sua forma durante a combustão e não
apresentam formas esféricas como no caso do carvão. Estes aglomerados resultam de partículas que
condensam, passando posteriormente por processos de nucleação e aglomeração. Na granulometria
<250 µm (figura 3.7a), o aspeto predominante é o de aglomerados de inorgânicos, sendo também
possível discernir partículas esféricas. A análise destas partículas revelou que são constituídas por
carbono, sendo assim originárias de combustão incompleta (fuligem). Quando avançamos para as
granulometrias maiores, 250-500 µm e 500-710 µm (figura 3.7b e c), estes aglomerados começam a
dar lugar a mais partículas isoladas de estrutura irregular, havendo ainda a presença de partículas de
carbono, ainda que em menor quantidade.
36
PM2.5-10 PM2.5
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 3.7 – Imagens SEM típicas de partículas para cada granulometria: a) < 250 µm; b) 250-500 µm; c) 500-
710 µm; d) < 1000 µm.
37
As figuras 3.8 a 3.11 mostram a composição química das partículas para as quatro granulometrias
estudadas, recolhidas nos substratos 2 e 6 do impactor de 13 estágios. Em geral, podemos ver uma
dominância geral dos elementos orgânicos C e O em todas as amostras, com outros elementos como
S, K, Cl, Ca, e em menores quantidades Fe, P, Na, Al, Mg e Si a estarem presentes nas partículas
analisadas. Elementos como Ti e Zn, não fazendo parte da constituição da biomassa, podem ser
originários de contaminações durante o seu crescimento ou de processos de transporte e
transformação.
Na figura 3.8 (granulometria < 250 µm), podemos ver uma presença dominadora de C e O como os
principais elementos orgânicos das partículas. Além disso, elementos como Cl, K e S apresentam
concentrações em ambos os substratos, com um aumento da concentração média dos dois últimos
nas partículas de substratos inferiores. Esta granulometria apresenta as maiores concentrações de K
nas amostras recolhidas; é também aquela para a qual a análise das cinzas indica uma maior
percentagem de potássio.
Nas figuras 3.9 (granulometria 250-500 µm), e 3.10 (granulometria 500-710 µm), mais uma vez,
encontramos uma predominância de C e O, com pequenas percentagens de outros elementos
inorgânicos. De notar a ausência de Ca e Si nas partículas de substratos inferiores na figura 3.9 e a
sua diminuição na figura 3.10, dando lugar a um ligeiro aumento na concentração de K.
Na figura 3.11 (granulometria <1000 µm), tal como na granulometria 500-710 µm, é possível ver
vestígios de praticamente todos os elementos encontrados nas análises. Esta foi também a
granulometria onde as concentrações de Ca e Si apresentaram os valores máximos, e é de notar
mais uma vez a redução da sua concentração no substrato inferior.
No geral, estes resultados estão em concordância com estudos como [26], [30] e [33].
38
Figura 3.8 – Composição química das partículas da granulometria < 250 µm: a) substrato 2 do DLPI-13 (Dp =
6,65 µm); b) substrato 6 do DLPI-13 (Dp = 0,95 µm).
39
Figura 3.9 – Composição química das partículas da granulometria 250-500 µm: a) substrato 2 do DLPI-13 (Dp =
6,65 µm); b) substrato 6 do DLPI-13 (Dp = 0,95 µm).
40
Figura 3.10 - Composição química das partículas da granulometria 500-710 µm: a) substrato 2 do DLPI-13 (Dp =
6,65 µm); b) substrato 6 do DLPI-13 (Dp = 0,95 µm).
41
Figura 3.11 - Composição química das partículas da granulometria < 1000 µm: a) substrato 2 do DLPI-13 (Dp =
6,65 µm); b) substrato 6 do DLPI-13 (Dp = 0,95 µm).
42
Capítulo 4
Fecho
4.1 Conclusões
As principais conclusões retiradas deste estudo são as seguintes:
• Quanto menor é o tamanho das partículas de pinho alimentadas à fornalha laboratorial,
maiores são as taxas de oxidação do resíduo carbonoso e menores são as emissões de
partículas;
• As emissões de partículas são dominadas por PM2.5, ou seja, partículas com diâmetros
menores que 2,5 µm, que apresentam grande parte da sua concentração na gama abaixo de
1 µm;
• A composição química das partículas emitidas é dominada por C, O e elementos inorgânicos
como Ca, K, Cl, Si, Na, P, Al, Mg e Fe;
• A concentração de Ca diminui com o diâmetro médio das partículas, enquanto a
concentração de K e Cl aumenta.
4.2 Sugestões de trabalho futuro
No futuro, como seguimento e complemento do trabalho aqui realizado, sugere-se que os ensaios
sejam repetidos com outros tipos de biomassa e outras granulometrias, expandindo assim o
conhecimento disponível sobre os produtos da queima destes combustíveis sólidos.
A determinação de PM2.5-10 e PM10 ao longo dos segmentos superiores, complementada com análises
SEM, também seria importante de maneira a estudar a ocorrência ou não de fragmentação nas
partículas.
Finalmente, seria também interessante, do ponto de vista atual, estudar as emissões de partículas
durante a co-combustão de biomassa e carvão, que é uma das possíveis soluções atuais para
controlar as emissões de CO2.
43
Referências
[1] DIAZ-CHAVEZ, ROCIO A. Assessing biofuels: aiming for sustainable development or
complying with the market? Energy Policy 39 (2011), pp. 5763-5769.
[2] MCKENDRY, P. Energy production from biomass (part 1): overview of biomass. Bioresource
Technology 83 (2002), pp. 37-46.
[3] SAIDUR, R., ABDELAZIZ, E. A., DEMIRBAS, A., HOSSAIN, M. S., MEKHILEF, S. A review of
biomass as a fuel for boilers. Renewables and sustainable energy reviews 15 (2011), pp.
2262-2289.
[4] XU, M. Coal combustion-generated aerosols: formation and properties. Proceedings of the
Combustion Institute 33 (2011), pp. 1681-1697.
[5] HAYKIRI-ACMA, H., BAYKAN, A., YAMAN, S., KUCUKBAYRAK, S. Effects of fragmentation
and particle size on the fuel properties of hazelnut shells. Fuel 112 (2013), pp. 326-330.
[6] WILLIAMS, A., POURKASHANIAN, M., JONES, J. M. Combustion of pulverized coal and
biomass. Progress on energy and combustion science 27 (2001), pp. 587-610
[7] PATRÃO, GIL. Biomass on the Portuguese Energy Sector, Workshop BIOGAIR, Aveiro
(2011).
[8] FERREIRA, S., MOREIRA, N., MONTEIRO, E. Bioenergy overview for Portugal. Biomass and
Bioenergy 33 (2009), pp. 1567-1576.
[9] http://greet.es.anl.gov/
[10] WEC – Word Energy Council, Survey of Energy Resources, World Energy Council, 2010.
[11] DEMIRBAS, A. Combustion characteristics of different biomass fuels. Progress on energy and
combustion science 30 (2004), pp. 219-230.
[12] WANG, G., SILVA, R. B., AZEVEDO, J. L. T., COSTA, M. Evaluation of the combustion
behaviour and ash characteristics of biomass water derived fuels, pine and coal in a drop tube
furnace. Fuel 117 (2014), pp. 809-824.
[13] COSTA, F., COSTA, M., WANG, G. Combustion kinetics and particle fragmentation of raw
and torrified pine shells and olive stones in a drop tube furnace. Proceedings of the
Combustion Institute 35 (2015), pp. 3591-3599.
[14] WILLIAMS, A., JONES, J. M., MA, L., POURKASHANIAN, M. Pollutants from the combustion
of solid biomass fuels. Progress in Energy and Combustion Science 38 (2012), pp. 113-137.
[15] PIRIOU, B., VAITILINGOM, G., VEYSSIÈRE, B., CUQ, B., ROUAU, X. Potential direct use of
solid biomass in internal combustion engines. Progress in Energy and Combustion Science
39, pp. 169-188.
[16] BASU, P. Biomass gasification, pyrolysis and torrefaction: practical design and theory, 2nd
edition. Academic Press, 2013.
[17] NEVES, D., THUNMAN, H., MATOS, A., TARELHO, L., GÓMEZ-BAREA, A. Characterization
and prediction of biomass pyrolysis products. Progress in Energy and Combustion Science 37
(2011), pp. 611-630.
[18] COELHO, P., COSTA, M. Combustão, 2nd edição. Edições Orion, 2012.
44
[19] KLIPPEL, N., NUSSBAUMER, T. Health relevance of particles from wood combustion in
comparison to diesel soot. 15th European biomass conference and exhibition, Berlin (2007).
[20] SIOPA DA SILVA, J. Characterization of particle emissions from biomass power plants. Tese
de Mestrado, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, 2015.
[21] WIINIKA, H. High temperature aerosol formation and emission minimisation during
combustion of wood pellets. Tese de doutoramento, Lulea University of Technology, 2005.
[22] SIPPULA, O. Fine particle formation and emissions in biomass combustion. Report series in
aerosol science 108 (2010).
[23] DOSHI, V., VUTHALURU, H. B., KORBEE, R., KIEL, J. H. A. Development of a modelling
approach to predict ash formation during co-firing of coal and biomass. Fuel processing
technology 90 (2009), pp. 1148-1156.
[24] JOHANSSON, L., TULLIN, C., LECKNER, B., SJÖVALL, P. Particle emissions from biomass
combustion in small combustors. Biomass and Bioenergy 25 (2003), pp. 435-446.
[25] COSTA, F., COSTA, M. Evaluation of particle fragmentation of raw and torrefied biomass in a
drop tube furnace. Fuel 159 (2015), pp. 530-537.
[26] FERREIRA, P. Combustion of alternative biomass fuels in a domestic boiler in a large-scale
furnace. Tese de doutoramento, Universidade do Minho, 2016.
[27] http://www.epa.gov/pm/health.html.
[28] GUARIEIRO, L. Vehicle emissions: what will change with use of biofuel? Biofuels – Economy,
Environment and Sustainability, Prof. Zhen Fang (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/52513.
[29] ANDREAE, M., MERLET, P. Emission of trace gases and aerosols from biomass burning.
Global biogeochemical cycles vol.14 no. 4 (2001), pp. 955-966.
[30] BRANCO, V. Effect of particle size on the burnout and emissions of particulate matter from
biomass combustion in a drop tube furnace. Tese de mestrado, Instituto Superior Técnico,
2016.
[31] SEAMES, W. An initial study of the fine fragmentation fly ash particle mode generated during
pulverized coal combustion. Fuel processing technology 81 (2003), pp. 109-125.
[32] MASON, P., DARVELL, L. I., JONES, J. M., POURKASHANIAN, M., WILLIAMS, A. Single
particle flame-combustion studies on solid biomass fuels. Fuel 151 (2014), pp. 21-30.
[33] ALMEIDA, M. Fragmentação de partículas durante os estágios finais da combustão de
biomassa numa fornalha laboratorial. Tese de mestrado, Instituto Superior Técnico, 2015.
[34] GARCIA-MARAVER, A., ZAMORANO, M., FERNANDES, U., RABAÇAL, M., COSTA, M.
Relationship between fuel quality and gaseous and particulate matter emissions in a domestic
pellet-fired boiler. Fuel 119 (2014), pp. 141-152.
[35] HAYS, M., FINE, P. M., GERON, C. D., KLEEMAN, M. J., GULLETT, B. K. Open burning of
agricultural biomass: Physical and chemical properties of particle-phase emissions.
Atmospheric Environment 39, pp. 6747-6764.
[36] VASSILEV, S., BAXTER, D., ANDERSEN, L. K., VASSILEVA, C. G. An overview of the
chemical composition of biomass. Fuel 89 (2010), pp. 913-933.
45
[37] CASACA, C. Utilização de biomassa como combustível secundário em processos de co-
combustão e reburning. Tese de doutoramento, Instituto Superior Técnico, 2008.
[38] ABREU, P. Investigação experimental da taxa de formação de depósitos na co-combustão de
carvão com biomassa. Tese de mestrado, Instituto Superior Técnico, 2009.
[39] SCHMID, C., DUGUÉ, J. Movable block swirler calibration. International flame research
foundation, no. F59/y/8.
[40] BÉER, J., CHIGIER, N. Combustion aerodynamics. Applied Science publishers ltd, Londres.
[41] LIM, M., PHAN, A., RODDY, D., HARVEY, A. Technologies for measurement and mitigation of
particle emissions from domestic combustion of biomass: a review. Renewable and
sustainable energy reviews 49 (2015), pp. 574-584.
46
Apêndice
A Composição química das partículas
Figura A.1 – Composição química das partículas da granulometria <250 µm (subtratos 2 e 3 do LPI-3).
47
Figura A.2 – Composição química das partículas da granulometria 250-500 µm (subtratos 2 e 3 do LPI-3).
48
Figura A.3 – Composição química das partículas da granulometria 500-710 µm (subtratos 2 e 3 do LPI-3).
49
Figura A.4 – Composição química das partículas da granulometria <1000 µm (subtratos 2 e 3 do LPI-3).
