projecto airuse combustão de biomassa...
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Projecto AIRUSE
Combustão de biomassa
2013
Luís António da Cruz TarelhoDepartamento de Ambiente e OrdenamentoCentro de Estudos do Ambiente e do Mar
Universidade de Aveiro
80
2.2. Balanço de massa aplicado a um sistema de combustão
O balanço mássico aplicado a um sistema de combustão de biomassa traduz oprincípio geral da conservação da massa numa fornalha em estadoestacionário:
Biomassakg/s
Ar de combustãokg/s
Gases e partículaskg/s
Cinzas e escóriaskg/s
Fornalha/Reactor
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[CHNOSFCl+cinzas] + ar (N2,O2, H2O)
n1 CO2 + n2 H2O + n3 CO + n4 H2 + n5 O2 + n6 N2 + n7 NO + n8 SO2
+
HC´s
+
Componentes gasosos minoritários (HF, HCl)
+
Partículas (escórias, cinzas e carbono inqueimado)
+
Energia térmica
Energia
Biomassa sólida
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Dióxido de carbono (CO2)Oxigénio (O2)Água (H2O)Azoto (N2) (embora seja o componentemaioritário dos gases de combustão, não énecessariamente um produto de combustão)
Compostos de
ineficiência
Poluentes
Compostos
maioritários
Monóxido de carbono (CO)Hidrocarbonetos inqueimados/parcialmente oxidados (HC’s, incluiCOV e PAH)Partículas de combustível (soot)
Monóxido de carbono (CO)Hidrocarbonetos inqueimados (HC’s, inclui COV e PAH)Partículas (cinza, fuligem (soot))Óxidos de azoto:
Óxido nítrico (NO), Dióxido de azoto (NO2) , Óxido nitroso (N2O)Dióxido de enxofre (SO2)Ácido fluorídrico (HF)Ácido clorídrico (HCl)
Efluente gasoso
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Combustão completa vs Combustão incompleta
Para efeitos de balanço mássico e balanço energético vamos considerar:
Combustão completa
todo o S é oxidado a SO2
todo o H é oxidado a H2O
todo o C é oxidado a CO2
N
N-fuel não é oxidado a NO,e aparece como N2
N2, ar atmosférico → N2
Não surgem espécies como o C, H2, CO,OH ou hidrocarbonetos nos produtos.
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A base de cálculo do balanço mássico que aqui se apresenta, é assente naunidade de massa de material sólido seco a queimar [kg mistura base seca].
A metodologia apresentada prevê a distribuição de produtos maiores (por
exemplo: N2, CO2, O2, H2O e cinzas) mas não a distribuição dos pequenos
produtos (por exemplo os poluentes como o NOx, HCl ou as dioxinas) ousequer a distribuição das substâncias conservativas pelas várias correntesmateriais (ou compartimentos) que atravessam o incinerador (por exemplometais pesados como Hg, Zn através dos gases versus através das escórias) facea uma determinado conjunto de condições operatórias.
O balanço mássico também não prevê como se deverá distribuir o ar de
combustão entre o ar primário e o ar secundário, embora permita determinarqual a quantidade de ar globalmente necessário.
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Este esquema não detalha convenientemente, contudo, a complexa série dereacções químicas que ocorrem; não põe em evidência tão pouco um aspectoimportante que é o de que a conversão nunca é completa.
De facto a fornalha não é um reactor ideal, há heterogeneidades na composição,isto é, o combustível e o comburente não têm uma distribuição uniforme,originando-se resistências à transferência de calor e de massa que fazem comque a reacção de combustão seja incompleta.
Para compensar o efeito dos fenómenos referidos, na prática, todas asfornalhas trabalham com excesso de ar, relativamente àestequiometria.
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Necessidades de ar de combustão
Tendo determinado (anteriormente) as necessidades estequiométricas de arcombustão, em função da composição do combustível:
Necessidade estequiométrica de oxigénio
(kg O2 estequiométrico/kg mistura R em base seca)
Necessidade estequiométrica de ar
(kg ar estequiométrico/kg mistura R em base seca)
××+×+×=
2O
O2H
2O
2NM
MVAM
MssA W7,663,761WW
−∑
××=
2O
OR
j
jRjs,s M
w
M
wY32W
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E tendo em atenção que por razões que têm a ver com a velocidade detransferência de massa e cinética química, é muito difícil evitar a ocorrência denão-queimados gasosos e/ou sólidos acompanhando os gases de escape ou ascinzas.
É normal utilizar estratégias para minorar este problema:
Reduzir as dimensões do material e expô-lo à corrente gasosa(aumentando a agitação ou turbulência);
Aumentar a relação comburente/combustível (expressa como razãoestequiométrica, ou como excesso de ar) para além da quantidadeestequiométricas.
Importante variável operacional.
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Excesso de ar
Quando se usa o ar como fonte de oxigénio, denomina-se excesso de comburente(também denominado como excesso de ar), definido em percentagem, à relação:
Wa [kg O2 actual/kg mistura R em base seca]Ws [kg O2 estequiométrico/kg mistura R em base seca]
ou
WaA (kg ar actual/kg mistura R em base seca) WsA(kg ar estequiométrico/kg mistura R em base seca)
Na combustão de biomassa, ou na incineração de resíduos sólidos, é
necessário operar com excesso de ar, que pode atingir os 100%.
1001W
Wz
s
a ×
−=
1001W
Wz
sA
aA ×
−=
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Razão estequiométrica (ou razão de equivalência)
Em alternativa ao conceito de excesso de ar pode usar-se a noção de razão
estequiométrica (ou razão de equivalência) dada por:
sA
aAW
Wr =
90
Produtos de combustão
Os produtos de combustão são constituídos de um conjunto de substâncias
gasosas e sólidas.
Composição dos produtos gasosos
Para efeito do balanço mássico global, e tendo em consideração os componentesmaioritários, adoptou-se as seguintes referências para cada produto gasoso i:
1=CO2
2=H2O3=CO
i = 4=H2
5=O2
6=N2
7=NO8=SO2
denotando-se a abundância por unidade de massa de mistura de biomassa R aqueimar, em base seca, por:
niR [kmole de gás i produzido/ kg R]
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Composição ponderal de produtos sólidos
Os produtos sólidos resultantes do processo de combustão de biomassa incluem:
Uma parte inerte à combustão (cinzas)
Uma parte orgânica, essencialmente composta por carbono
Estes produtos sólidos arrastam consigo vários micropoluentes orgânicosadsorvidos (PAH’s) e poluentes inorgânicos (metais).
Os produtos sólidos podem sair do sistema de combustão principalmente como:
Escória (E) através das grades para o cinzeiro
Material volante (V) a acompanhar o efluente gasoso
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A composição destes dois tipos de produtos é usualmente diferente pelo que énecessário conhecer a sua composição em termos do teor de cinza para sedeterminar o balanço mássico.
Para efeitos do balanço mássico admite-se que o resíduo do processo decombustão é constituído apenas por cinzas e carbono, ou seja:
wZV [kg cinza/kg de produto de combustão volante]
wZE [kg cinza/kg de produto de combustão escória]
wCV =1-wZV [kg Carbono/kg de produto de combustão volante]
wCE =1-wZE [kg Carbono/kg de produto de combustão escória]
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A abundância dos resíduos de combustão em relação ao biocombustível podeexprimir-se em termos das razões ponderais WVR, WER respeitantes ao resíduosvolante e escória, respectivamente
WVR [kg de produto volante V base seca/kg de R ]
WER [kg de produto escória E base seca/kg de R ]
Tipicamente WVR corresponde a menos de 10% (em massa) do total ponderal deprodutos sólidos (escória+volantes) resultantes do processo de combustão.
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De acordo com o formalismo apresentado, a expressão estequiométrica da reacçãode combustão com ar atmosférico é a seguinte:
+
+
com
18
W , w,
32
w,
28
w,
32
w,
2
w,
12
w WRZR
SRNRORHRCR
( )OHW66.7N76.3O132
Wa2VA22 ××+×+××
n n n n n n n n 8R7R6R5R4R3R2R1R +++++++
( ) ( )12
W w Ww W w Ww ERCEVRCV
ERZEVRZV×+×
+×+×
+×=
100
z1WW sa
95
A base de cálculo do balanço mássico elementar (kmol elemento ou composto j/kgmistura de biomassa R em base seca) é:
Carbono (C)
Hidrogénio (H2)
Oxigénio (O2)
( )12
W w Wwnn
12
w ERCEVRCV3R1R
CR ×+×++=
4R2RVAaWRHR n n 32
7.66 WW
18
W
2
w+=
××++
( )
8R7R
5R3R2R
1R
VAaWROR
n2
n n
2
n
2
n n
7.66W0.5 1 32
W
18
W0.5
32
w
+++++=
=××+×+×
+
96
Azoto (N)
Enxofre (S)
Parte inorgânica, ou seja a cinza (kg cinzas/kg mistura R em base seca)
7R6RaNR n n2 3.76
32
W2
14
w +×=××+
8RSR n
32
w=
ERZEVRZVZR W w W w w ×+×=
97
A razão de gases de combustão produzidos por unidade de massa de
combustível é dada por:
Gases húmidos
Gases secos
8R7R6R5R4R3R2R1Rbs l,combustíve
combustão gasest nnnnnnnn
kg
kmoleG +++++++==
8R7R6R5R4R3R1Rbs l,combustíve
secos combustão gasesst, nnnnnnn
kg
kmoleG ++++++==
98
t
1R
8R7R6R5R4R3R2R1R
1R1CO G
n
nnnnnnnn
nyy
2=
+++++++==
t
2R
8R7R6R5R4R3R2R1R
2R2OH G
n
nnnnnnnn
nyy
2=
+++++++==
t
5R
8R7R6R5R4R3R2R1R
5R5O G
n
nnnnnnnn
nyy
2=
+++++++==
Composição molar dos gases de combustão (gases húmidos)
com i=1, …, 8
t
3R
8R7R6R5R4R3R2R1R
3R3CO G
n
nnnnnnnn
nyy =
+++++++==
t
4R
8R7R6R5R4R3R2R1R
4R4H G
n
nnnnnnnn
nyy
2=
+++++++==
húmidos gases de mistura
i componentei kmole
kmoley =
99
t
7R
8R7R6R5R4R3R2R1R
77NO G
n
nnnnnnnn
nyy =
+++++++==
t
8R
8R7R6R5R4R3R2R1R
8R8SO G
n
nnnnnnnn
nyy
2=
+++++++==
t
6R
8R7R6R5R4R3R2R1R
6R6N G
n
nnnnnnnn
nyy
2=
+++++++==
100
st,
1R
8R7R6R5R4R3R1R
1Rs1,s,CO G
n
nnnnnnn
nyy
2=
++++++==
st,
5R
8R7R6R5R4R3R1R
5Rs5,s,O G
n
nnnnnnn
nyy
2=
++++++==
Composição molar dos gases de combustão (gases secos)
com i=1, …, 8, e i≠2
st,
3R
8R7R6R5R4R3R1R
3Rs3,sCO, G
n
nnnnnnn
nyy =
++++++==
st,
4R
8R7R6R5R4R3R1R
4Rs4,s,H G
n
nnnnnnn
nyy
2=
++++++==
secos gases de mistura
i componentei kmole
kmoley =
101
st,
7R
8R7R6R5R4R3R1R
7s7,sNO, G
n
nnnnnnn
nyy =
++++++==
st,
8R
8R7R6R5R4R3R1R
8Rs8,s,SO G
n
nnnnnnn
nyy
2=
++++++==
st,
6R
8R7R6R5R4R3R1R
6Rs6,s,N G
n
nnnnnnn
nyy
2=
++++++==
102
2.3. Balanço de energia aplicado a um sistema de combustão
O balanço energético aplicado a uma instalação de combustão traduz o princípio
geral de conservação de energia (1ª Lei da Termodinâmica) numa fornalha,evoluindo a pressão constante, em que se desprezam geralmente os termoscorrespondentes à variação de energia cinética, potencial e de mistura. Assim, emestado estacionário:
BiomassakJ/s
Ar de combustãokJ/s
Gases e partículaskJ/s
Cinzas e escóriaskJ/s
Fornalha/Reactor
Energia aproveitadakJ/s
Energia perdida (convecção e radiação) através das paredes do reactorkJ/s
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É necessário que o balanço mássico seja efectuado em primeiro lugar.
A função termodinâmica de estado adequada para exprimir o Princípio da
Conservação de Energia de um sistema aberto (a pressão constante) é:
Entalpia.
As várias componentes, ou formas de energia, dum balanço energético, incluem:
- calor sensível inerente a todos os intervenientes materiais;
- calor latente de vaporização (da humidade, por exemplo);
- calor da reacção de combustão dos vários componentes combustíveis;
- calor aproveitado (ou energia útil);
- calor perdido por convecção e radiação através das paredes exterioresdo reactor de combustão.
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Diagrama de entalpia para a combustão de biomassa
oWR fgW h (T )
1 ok kn cp (T T )−∑
2 oj jn cp (T T )−∑
útil perdidoH H+
T1 T2 Tadibática
ok kn PCI (T )∑
T0
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O balanço de entalpia (J/kg mistura R em base seca) aplicado ao sistema decombustão é:
Temperatura de combustão adiabática
Para um dado combustível, é a temperatura obtida em condições para as quais
toda a energia desenvolvida na reacção vai a acompanhar os produtos, ouseja, em que:
perdidoútilprodutosreagentes HHHH ∆+∆+∆=∆
J0∆Hútil =
J0∆Hperdido =
produtosreagentes ∆H∆H =
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Componentes do balanço energético
Calor sensível
Por calor sensível entende-se a energia térmica acumulada numa massa
material e que é proporcional à diferença entre a temperatura do material e a
temperatura de referência.
O calor sensível transportado pela mistura, isto é, quer pertencente aos reagentesquer aos produtos, é dada por
cp,j (J/(kg·K)) Calor específico médio referente à espécie j, definido entre T° eT; tabelado ou calculando a partir de cp=f(T).
nj (kmolj/kg mistura em base seca) Determinado a partir do balanço mássico.
Mj (kgj/kmolj) Massa molar da espécie j.
( )∑ −×××=j
jp,jjS TTcMn∆H o
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Calor latente
Por calor latente entende-se a energia térmica posta em jogo quando uma
substância muda de fase.
Particularmente importante no caso da água, que constitui ahumidade, para o estudo em questão.
O calor latente transportado por uma mistura (kJ/kg mistura R em base seca), querpertencente aos reagentes quer aos produtos, é dada por:
hj,WV,T° (J/kgj] Calor latente de vaporização de cada substância j àtemperatura de referência T° (0°C ou 25°C).
∑ ××=j TWV,j,jjL hMn∆H o
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Calor de reacção de combustão
Por calor de reacção de combustão entende-se a entalpia de reacção de
combustão a pressão constante e à temperatura de referência T°°°°. Os produtosfinais de uma reacção de combustão completa são: CO2, H2O, N2, SO2 e cinzas.
Equivalência entre entalpia de combustão e poder calorífico
a pressão constante.
Uma consideração importante, como já referimos, é o estado final da água
produzida que pode ser líquida ou vapor, definindo respectivamente o podercalorífico superior e inferior (kJ/kg mistura em base seca).
Neste caso, interessa considerar o estado final da água na forma de vapor, eassim vem:
PCIj,T° (∆hj,comb(g),T°) (J/kgj) Calor de combustão à temperatura dereferência T°, em que a água formada comoproduto de combustão ocorre na forma gasosa(poder calorífico inferior).
∑ ××=j Tj,jjr PCIMn∆H o
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Energia útil
A energia útil, ∆∆∆∆Hútil (J/kg mistura em base seca), tem a ver com a existência de
um sistema permutador que retira calor da fornalha.
Existe nos sistemas de combustão com produção de
energia térmica, eléctrica, ou ambas.
Energia perdida através das paredes do reactor
Apesar do isolamento térmico, todos os sistemas de fornalha são atravessados porum fluxo de calor que se dissipa à superfície, por convecção junto da parede, porradiação e por condução.
As perdas dependem do isolamento térmico, do tipo de incinerador, da operação edo estado de conservação da instalação – sendo representado por ∆∆∆∆Hperdido (J/kg
mistura em base seca).
É comum adoptar-se para as perdas um valor de 5% da energia
total de entrada.
110
[ ] reagentesrLSreagentes HHHH ∆+∆+∆=∆
Calor de reacção
Calor latente
Calor sensível
Energia dos reagentes:
[ ] ( )
( )[ ] ( )oo
TTcW31.4c31.3c1W
TTcWc1H
APVAPPa
RPWRPreagentes,S
gO2H2N2O
WR
−×××+×+××+
+−××+×=∆
oT,WVWRreagentes,L hWH ×=∆
Rreagentes,r PCIH =∆
111
[ ]produtosrLSprodutos HHHH ∆+∆+∆=∆
Calor de reacção
Calor latente
Calor sensível
Energia dos produtos:
[ ] ( )( )[ ] ( )( )[ ] ( )o
o
o
TTcWwWw
TTcWwWw
TTcMnH
2PERCEVRCV
2PERZEVRZV
2PiR,iprodutos,S
C
Z
i
−×××+×+
+−×××+×+
+−×∑ ××=∆
0H produtos,L =∆
( ) CERCEVRCVJjR,jprodutos,r PCIWwWwPCIMnH ××+×+∑ ××=∆
A condensação de produtos deve ser evitadadentro da instalação de incineração.
j – espécies combustíveis tipo CO e H2, e HC
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Eficiência de conversão de energia
O aproveitamento de trabalho mecânico a partir da combustão de biomassasólida, mesmo nos sistemas mais eficientes, não deverá ultrapassar os 35%.
Contudo:
Aproveitamento dos calor residual para:
Aquecimento de água ou produção de vapor para aplicações deaquecimento (ex: district heating)
Arrefecimento (district cooling),
Aproveitamento do calor de condensação
Permite melhorar a eficiência térmica do processo para valores até 85%.
Processo designado de CHP –Combined Heat and Power.
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A eficiência térmica global de um sistema de combustão pode ser definidacomo:
Energia introduzida no sistema de combustão
Energia do combustível baseado no poder calorífico inferior docombustível
Calor sensível fornecido pelo combustível e pelo oxidante.
Energia perdida pelo sistema de combustão
Energia associada com os gases de exaustão que abandonam o sistema decombustão
Calor dissipado através das paredes exteriores.
sistema no aintroduzid Energia
sistema pelo perdida Energia -sistema no aintroduzid Energiaη =
114
2.4. Opções tecnológicas
As tecnologias para a combustão de biomassa podem ser divididas em duasgrandes classes, tendo em consideração o objectivo da sua utilização, e a dimensãodo sistema:
Aplicações domésticas, em grandes edifícios e em
equipamentos públicos
Dedicadas a produção de calor para aquecimento de espaços ou água quente sanitária.
Instalações industriais
Dedicadas a produção de calor, electricidade, ou ambos.
115
116
2.4.1. Aplicações domésticas
As aplicações domésticas de combustão de biomassa para produção de calor ou águas quentes sanitárias incluem, entre uma variedade bastante grande, as seguintes tecnologias:
Lareiras
Fogões e recuperadores de calor
Troncos de madeira ou briquetes
Pellets
Caldeiras de aquecimento central
Troncos de madeira ou briquetes
Estilha
Pellets
117
2.4.1.1. Lareiras e “recuperadores de calor” (fireplace insert)
Sistema a troncos de madeira ou briquetes(alimentação por cargas)
118
2.4.1.2. Fogões
119
Sistema a pellets (alimentação continua)
120
2.4.1.3. Caldeiras de aquecimento central
2.4.1.3.1. Troncos de madeira e briquetes
121
2.4.1.3.2. Pellets
122
123
Sistema a estilha ou pellets (alimentação continua)
124
125
126
127
2.5. Tecnologia de controlo de efluentes gasosos
Controlo na fonte (medidas primárias)
Modificação do sistema de combustão ou do combustível
Modificação dos parâmetros operatórios
Utilização de adsorventesQueimadores de baixo NOx
TemperaturaExcesso de arAr por estágios
Controlo a jusante da fonte (tratamento do efluente gasoso)
Processos mecânicos
Processos físico-químicos
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Tecnologias de controlo a jusante da fonte
Mecânicas e Físico-Químicas
Natureza do Poluente
TecnologiasPropriedadeou Força
Partícula MecânicaSeca
Câmara de Sedimentação Gravidade
Ciclone Inércia
Precipitador Electrostático Electrostática
Filtro de Mangas Porosidade
Húmida Lavador Húmido Inércia
Molécula Activa (NOx, SO2, HC, etc)
Físico-Química
Absorção Solubilidade
Adsorção Adsorptividade
Incineração(Combustão)
TérmicaFlamabilidade
Catalítica
129
Ciclone
130
Lavador húmido
131
132
Precipitador electrostático
133
Filtro de Mangas
134
3. Instalação experimental para estudo de combustão em
fogões domésticos no DAO-UA
Termocouple T6
Sample Gas (SG) / Pressure
Warm water (out)
Combustion flue gasesCold water (in)
Temperature
S
N2
Zero Gas (ZG)
L
UCD0
J
I
Pressure
045
000
UCD1
SG
Sample Gas (S
G) / P
ressure
UCE1
CO
R
UCD2
K
CO2
O2
HC
Q
O
P
N
Heated sampling line (190ºC)
G
Ice Bath
ZG
Condensed
material
Ice Bath
SGSG
MTermocouple T5
Termocouple T4
Termocouple T3
Termocouple T2
D
A
C Air
B
F
E
H
Termocouple T1