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Queimadores de combustíveis sólidos
Em geral os combustíveis sólidos ao adentrarem em uma região de combustão, passam pelas seguintes etapas;
- aquecimento,
- secagem,
- pirólise
- combustão
A importância de cada uma destas etapas deve variar de acordo com as propriedades do combustível sólido considerado. Por exemplo, Para uma partícula de biomassa , com teores de umidade e de voláteis elevados, todas as etapas apresentadas são importantes.
Já para uma partícula de coque , com baixo teor de umidade e voláteis, somente as etapas de aquecimento e combustão são relevantes.
Processo de combustão de um sólido:
Uma partícula, ao ser colocada em uma região de combustão, inicialmente troca calor por convecção e radiação com os gases quentes ao seu redor e se aquece. Dentro de uma câmara de combustão ela também troca calor por radiação com as paredes da câmara
Quando a temperatura da superfície atinge a temperatura de saturação da água presente no sólido, inicia-se a etapa de secagem.
Em altas temperaturas (gases em contato com o sólido acima de 400 O^ C) a velocidade de secagem depende principalmente da transferência de calor (A difusão de vapor d’água pela partícula, importante em processos de secagem a baixa temperatura, passa a ter um papel secundário).
Nesta situação pode-se imaginar a formação de uma frente de secagem caminhando no sentido da superfície externa para o centro da partícula. Entre a superfície externa e a frente de secagem existe somente sólido seco e entre a frente e o centro somente material úmido. A taxa de evaporação de água é proporcional ao calor trocado entre a frente de secagem e as camadas secas adjacentes.
Conforme a frente de secagem vai caminhando para o centro da partícula, a temperatura da região seca vai se elevando, mas de forma lenta. Isto se deve ao vapor de água que se forma na frente de secagem, que atua como um freio para o aquecimento da camada seca partícula.
Este vapor, ao passar por esta região, troca calor com a matriz sólida, resfriando-a, retardando o processo de aquecimento. Desta forma, do fluxo de calor (q) entrando pela superfície da partícula, somente uma fração chega à frente de secagem.
A região seca, ao sofrer aquecimento contínuo, começa a sofrer decomposição térmica, conhecida como pirólise, a partir de uma certa temperatura.
Durante a pirólise a fração volátil do combustível sólido se decompõem em compostos gasosos de baixo peso molecular (CO 2 , H 2 O, CH 4 , H 2 CO etc.) e vapores complexos de peso molecular mais elevado, denominados genericamente de alcatrão.
Para biomassas, a temperatura de início de pirólise, à pressão de 1 bar, é de cerca de 200 0 C.
Os gases e vapores liberados durante a pirólise também caminham em sentido contrário ao fluxo de calor, de forma semelhante ao vapor d’água de secagem, também contribuindo para o retardamento do aquecimento da partícula.
Além disso, a reação de pirólise é endotérmica, ou seja, é necessário fornecer energia para que a reação ocorra, o que contribui ainda mais para o atraso no aquecimento da partícula. Desta forma, toda a região seca, ao atingir temperaturas acima de 200 0 C, fica submetido à pirólise, não ocorrendo a formação de uma frente de pirólise, equivalente à de secagem.
Dependendo da dimensão, da umidade e da taxa de aquecimento da partícula sólida, as etapas de secagem e pirólise podem se sobrepor ou não.
Os produtos de pirólise e de secagem, além de resfriarem a partícula, normalmente impedem a entrada de gases reagentes, como o oxigênio, no seu interior. Desta forma, a combustão do resíduo carbonoso (reação com oxigênio), resultante da pirólise da partícula, somente tem início após completada a etapa de secagem e pirólise.
Os produtos de pirólise, por conterem compostos combustíveis, podem queimar do lado externo da partícula, auxiliando no seu aquecimento.
A partir do fim da etapa de pirólise, quando o fluxos de gases e vapores de dentro para fora da partícula se reduzem drasticamente, o oxigênio e outros gases reagentes presentes no lado externo, tais como o vapor d’água e o dióxido de carbono, podem penetrar no interior do resíduo carbonoso e reagir com os componentes sólidos. O mecanismo predominante, nesta etapa, diferentemente das etapas de aquecimento, secagem e pirólise, é o de difusão dos gases reagentes para dentro do resíduo carbonoso. Estes gases, primeiramente, têm de atravessar a camada limite de gases existentes em torno da partícula e dela passar ao seu interior, como representado na figura.
Dependendo do teor e das propriedades da cinza do combustível sólido, pode-se imaginar dois modelos de combustão de resíduos carbonosos de sólidos:
Modelo de núcleo não reagido: No modelo de núcleo não reagido, existe uma camada de cinza em torno da partícula, através da qual os gases têm de se difundir antes de atingir a região carbonosa, representando uma resistência adicional à sua difusão. Carvões minerais, com elevados teores de cinza, normalmente seguem este modelo.
modelo de núcleo exposto: No modelo de núcleo exposto, quase não se observa a formação de uma camada de cinza por sobre a partícula. Nestes casos ou o teor de cinzas é muito baixo ou a camada de cinzas é muito friável, destacando-se facilmente da superfície da partícula. As biomassas em geral são bem representadas por este último modelo.
Carvões com baixos teores de voláteis e baixa reatividade, como o antracito e o coque de petróleo, apresentam problemas com carbono não convertido neste tipo de equipamento.
Na figura é apresentado um queimador de grelha móvel: Ar de “overfire” é introduzido na região frontal, acima da grelha, para gerar uma região com elevada turbulência e temperatura, a partir da queima dos voláteis liberados pela carga alimentada. Esta combustão fornece a energia necessária para aquecer, secar e pirolisar a carga alimentada. Normalmente cerca de 30 % do total de ar é introduzido como ar de “overfire” e o restante pela base da grelha, como ar de “underfire’. A vazão deste ar pode ser distribuída ao longo da grelha, facilitando o controle de combustão. É importante manter uma camada de cinza contínua sobre a grelha, principalmente na parte final, para evitar a sua exposição direta à radiação. Cinzas de madeira e casca, no entanto, compostas basicamente de sílica, são muito abrasivas, o que pode provocar desgaste excessivo nas grelhas.
A elevação da umidade, ou da granulometria, do combustível alimentado, provoca um alongamento da região 1. Em casos extremos, pode-se ficar sem a região de extinção de material carbonoso (região 5) o que reduz a eficiência de combustão, com formação de grande quantidade de material não queimado, podendo até levar à extinção da combustão sobre a grelha.
Combustão em Leito Fluidizado
Antes de entrar nas características de um equipamento de combustão em leito fluidizado é importante entender o princípio de funcionamento de um leito fluidizado.
- Ao passar um gás através de um leito de material particulado, como indicado no esquema abaixo, observa-se somente uma elevação de pressão na grelha. Ao elevarmos continuamente a vazão do gás, obteremos uma elevação também contínua da pressão até atingirmos uma velocidade, denominada velocidade de mínima fluidização (U (^) mf ) na qual a força peso das partículas se iguala à força de arraste do gás.
- Neste ponto, as partículas começam a se descolar uma das outras e ficam suspensas, passando a se comportar como um líquido.
- Incrementos adicionais de velocidade provocam o surgimento de bolhas de gás no interior da suspensão, criando duas fases. Uma constituída somente de gas na forma de bolhas e outra, denominada emulsão, composta de gás e material particulado fluidizado.
- As bolhas, ao subirem, aumentam de tamanho por redução de pressão e coalescimento com outras bolhas, arrastando grande quantidade de material particulado na sua subida.
- São estas bolhas as responsáveis pela grande taxa de circulação de sólidos no leito.
- A elevação continuada da vazão, nesta condição, provoca somente o aumento do número e tamanho das bolhas, sem elevar a pressão na base da grelha.
- Quando a velocidade do gás atinge a velocidade terminal das partículas (Ut ) começa a haver um arraste do material mais fino, diminuindo a altura do leito e a pressão na sua base.
- Elevação continuada da velocidade, a partir deste ponto, leva ao arraste das demais partículas e esvaziamento do leito (Transporte Pneumático)
No caso de sólidos com baixa granulometria (menor que 590 μm) pode-se empregar equipamentos de leito fluidizado circulante, esquematizado na figura abaixo.
- Estes equipamentos operam com velocidades maiores do que as dos leitos fluidizados borbulhantes (6,0 m/s) e a temperaturas equivalentes.
- A maior parte do material sólido fica em circulação, deixando de existir uma separação entre a região de alta e baixa densidade, como no leito borbulhante.
- Continua existindo uma região de alta densidade na base do leito mas a variação de densidade é contínua com a altura.
- Dada à menor granulometria do material sólido e maior área superficial, e à maior velocidade relativa gás-sólido, as taxas de reação também são maiores.
- No caso de haver necessidade de adição de calcáreo e dolomita a relacão Ca/S pode cair em relação ao leito borbulhante, ficando em torno de 2 a 2,5/1.
Combustão em Suspensão
Neste processo as partículas do combustível sólido são injetadas em suspensão em uma corrente gasosa para dentro da câmara de combustão.
A granulometria do combustível sólido alimentado geralmente tem de estar 70 % abaixo de 0,074 mm (200 mesh) e a ignição se dá pela queima de voláteis desprendidos das partículas.
Carvões com baixos teores de voláteis, como os carvões antracíticos e finos de coque, devem apresentar uma porcentagem ainda maior de fração abaixo de 200 mesh para contornar a dificuldade de ignição.
Cabe ressaltar que este processo, dada a baixa granulometria exigida, normalmente é mais utilizado para a combustão de carvões minerais.
As biomassas e resíduos urbanos apresentam dificuldades para a moagem até a granulometria exigida.
Carvões minerais em geral, além de serem friáveis, apresentam teores de umidade e de voláteis menores que biomassa, ficando em torno de 5 e 25 %, respectivamente. Desta forma, os tempos necessários para a liberação completa de voláteis para carvões minerais são ainda menores do que os necessários para biomassa e resíduos urbanos.
Um queimador típico empregado para a combustão de finos de carvão mineral é mostrado na figura abaixo.
Queimadores Tangenciais:
Caldeiras com queima tangencial empregam queimadores de concepção mais simples do que o queimador frontal apresentado.
Eles são dispostos tangencialmente ao longo da seção da caldeira e ao ar secundário não é imposto nenhum componente tangencial.
A chama se alonga, devido ao aquecimento mais lento das partículas, e a mistura entre o ar secundário e primário ocorre no centro da fornalha.
As taxas de combustão volumétrica nestes equipamentos são da ordem de 4 vezes menores do que nos queimadores frontais, o que leva a volumes de câmaras também 4 vezes maior.
Em contrapartida, devido às temperaturas menores na câmara de combustão e estagiamento da chama, obtém-se níveis de emissão de NO x bem menores que na queima frontal.
Outro queimador empregado para a combustão de sólidos pulverizados é o queimador ciclônico, apresentado esquematicamente na a seguir;
Neste queimador o ar primário e secundário entram tangencialmente à câmara, com velocidades relativas gás-partícula elevadas, o que leva a coeficientes de troca de calor e massa também elevados.
Como resultado, tem-se taxa de combustão volumétrica muito intensa, da ordem de 4 a 8 MW/m3, e temperaturas de cerca de 1650 0 C.
Os tempos de residência das partículas neste tipo de queimador são elevados e as maiores são arremessadas contra a parede da câmara, onde normalmente ficam aprisionadas por uma camada de cinza fundida que recobre as paredes, até a sua completa combustão.
Os queimadores ciclônicos são menos exigentes quanto à granulometria dos sólidos, podendo operar com particulados 95 % abaixo de 0,004 m. Cerca de 70 % da cinza do combustível sai na forma de cinza fundida e o restante sai do queimador na forma de cinza volante.
O queimador ciclônico tem a vantagem de poder operar com diversos tipos de combustíveis como cavacos de madeira e casca, resíduos, coque de petróleo etc., mas apresentam problemas de emissões de NOx devido às temperaturas elevadas de operação. Uma forma de contornar este problema tem sido operar os queimadores ciclônicos em condições subestequiométricas, injetando o ar faltante após o queimador, como numa combustão estagiada.
Devido às elevadas temperaturas atingidas no interior destes equipamentos, eles se prestam à combustão de combustíveis com baixos teores de voláteis e baixa reatividade (por exemplo coque de petróleo) que apresentam problemas de ignição em queimadores de combustíveis pulverizados como os apresentados anteriormente.
