estudos sobre a combustÃo de carvÕes vegetais … · da análise dos resultados experimentais...

2º Congresso Ibérico de Biocombustíveis Sólidos 14 Junho 2011

Universidade do Minho, Guimarães, Portugal

ESTUDOS SOBRE A COMBUSTÃO DE CARVÕES VEGETAIS PORTUGUESES EM LEITO

FLUIDIZADO

PINHO, C.,

CEFT-DEMec, FEUP, Rua Dr. Roberto Frias, s/n 4200-465, Porto, Portugal.

RESUMO

O trabalho desenvolvido no Centro de Estudo de Fenómenos de Transporte (CEFT) quer no

DEMEC/INEGI no Porto, quer no DEMGI do ISPV consta da obtenção de dados cinéticos e

difusivos relativos à queima de carvões vegetais obtidos com madeiras de origem portuguesa.

Durante a queima de madeira o processo de combustão segue uma sequência de passos que se

definem como [1] secagem, pirólise e queima do resíduo sólido carbonoso. A duração desta última

parte é cerca de três a quatro vezes mais longa que as anteriores. Como tal, o estudo dos

aspectos cinéticos e difusivos da queima dos carvões vegetais é fundamental para a concepção de

sistemas de queima de biomassa lenhosa [2]. Por outro lado a disponibilidade de dados científicos

referentes à combustão de carvões vegetais é bastante limitada quando comparada com o que há

disponível para coques [3].

Embora a obtenção de dados cinéticos possa ser obtida por balanças termo gravimétricas, esta

metodologia obriga ao uso de baixas temperaturas para minimizar o peso da transferência de

massa na taxa da reacção, de modo a que a combustão seja controlada pela cinética. Contudo

para ensaios acima dos 700 ºC, tal não é verdade [4]. Os estudos efectuados no CEFT, vão desde

os 600 ºC até aos 900 ºC e são realizados em reactores em leito fluidizado borbulhante.

O leito fluidizado, permite detectar efeitos que componentes menores da cinza têm no

comportamento fluidodinâmico do leito, indiciando futuros problemas de corrosão e de qualidade

de fluidização em sistemas industriais [5]. Recorrendo-se a um modelo matemático simples, avalia-

se a resistência global à combustão, quantificando-se o peso da difusão e da cinética [6].

Foram inicialmente estudados dois carvões vegetais disponíveis no mercado, um carvão comercial

de pinheiro manso (Pinus pinea) e um carvão comercial de sobro (Quercus suber). Em

complemento recarbonizaram-se estes carvões em leito fluidizado com N2 e à temperatura de 850

ºC e estudou-se também a sua combustão. Todos os testes foram realizados em leito fluidizado

entre 600 e 750 ºC [6,7]. Foi ainda avaliada a influência da fragmentação primária das partículas [8]

na determinação dos dados difusivos e cinéticos. A fragmentação secundária foi desprezável.



Actualmente estuda-se em Viseu a combustão de carvão obtido a partir de pinheiro bravo (Pinus

pinaster), eucalipto (Eucalyptus globulus), sobro (Quercus suber) e azinho (Quercus ilex) para

temperaturas entre 750 e 900 ºC e ainda para condições de fluidodinâmica do leito

complementares das já estudadas e neste caso sempre com carvões obtidos em laboratório.

RESULTADOS. A figura mostra uma evolução típica da resistência global à combustão. É evidente

uma descida abrupta desta devida ao aquecimento das partículas e à fragmentação primária.

Figura - Evolução da resistência global à combustão com o diâmetro para os quatro tamanhos de partículas

de carvão de pinheiro manso recarbonizado. Temperatura do leito, 750ºC; velocidade de 9Umf. Valores de 1/K correspondentes à resistência mínima (1/K min.) e às fracções queimadas de 25 e 50%.

Da análise dos resultados experimentais pode escrever-se, para os carvões comerciais de pinheiro

manso e sobro, a equação de Arrhenius

682,2 101667,4 RT

ck e (1)

e para os carvões de pinheiro manso e sobro recarbonizados

6102,7 1053891,1 RT

ck e (2)

Estas duas correlações permitem obter os valores da constante de velocidade da reacção kc em

função da temperatura absoluta do leito T e a constante universal dos gases perfeitos R .

O efeito da fragmentação primária sobre os valores da constante da taxa de reacção em fase

heterogénea kc observa-se na tabela seguinte



Tabela - Avaliação do efeito da fragmentação primária nos valores de kc. Partículas de carvão comercial de

pinheiro manso com valores de kc correspondentes à resistência global mínima.

U/Umf = 9 U/Umf = 12

T (ºC) kc (m/s) kc corrigido kc (m/s) kc corrigido

600 0,025 0,020 0,023 0,020

700 0,071 0,059 0,082 0,064

750 0,116 0,112 0,176 0,143

Se o efeito da fragmentação primária não for considerado na determinação da resistência global à

combustão, o valor da reactividade das partículas aparenta ser superior àquele que efectivamente

é, devido ao aumento do número de partículas provocado pela quebra, que contribui para o

aumento da taxa de queima. Apesar desta ressalva, pode concluir-se que, para a gama de

temperaturas e diâmetros de partículas estudados, a não consideração do efeito da fragmentação

primária afecta ligeiramente os parâmetros cinéticos obtidos. Tal situação poderá não ser aplicável

para os casos de temperaturas mais elevadas, pois é de prever que nessas situações o fenómeno

de fragmentação primária tenha maior relevância.

REFERÊNCIAS.

[1] Van Loo, S and Koppejan, J., (2008) “The Handbook of Biomass combustion and Co-firing”,

Earthsan, London.

[2] Adánez, J., de Diego, F., García-Labiano, F., Abad, A. and Abanades, J.C., (2001),

“Determination of biomass char combustion reactivities for FBC applications by a combined

method”, Ind. Eng. Chem. Res., 40, p. 4317-4323.

[3] Branca, C. and Di Blasi, C., (2003), “Global kinetics of wood char devolatilization and

combustion”, Energy and Fuels, 17, 1609.

[4] Fennell P.S., Kadchha S., Lee H-Y., Dennis J.S. and Hayhurst A.N., (2007), “The measurement

of the rate of burning of different coal chars in an electrically heated fluidised bed of sand”, Chem.

Eng. Sci., 62, p. 608-618.

[5] Khan, A.A, de Jong, W., Jansens, P. and Spliethoff, H., (2009), “Biomass combustion in fluidized

bed boilers: Potential problems and remedies”, Fuel Proc. Technology, 90, p. 21 – 50.

[6] Rangel, N. and Pinho, C, (2011), “Kinetic and diffusive data from batch combustion of wood

chars in fluidized bed”, aceite para publicação no Biomass and Bioenergy.

[7] Moreira, N.A.R., (2007), “Caracterização da Combustão de Carvões Vegetais em Leito

Fluidizado”, Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica, FEUP.

[8] Pinho, C., (2006) “Fragmentation on batches of coke or char particles during fluidized bed

combustion”, Chemical Engineering Journal, 115, p. 147-155.

Estudos Sobre a Combustão de Carvões Vegetais Portugueses em Leito Fluidizado

Carlos Pinho – CEFT-DEMEC

2


2º Congresso Ibérico de Biocombustíveis Sólidos 14 Junho 2011 Universidade do Minho, Guimarães, Portugal

Leito borbulhante com 80 mm de diâmetro interno.

CEFT/INEGI - FEUP e ESTV - IPV

3



i ) j ) k )

a )

b )

c )

d )

g )

e )

f )

h )

Leito com 50 mm de diâmetro interno.

CEFT/INEGI - FEUP

4



Queima de cargas partículas de carbono

em leito fluidizado borbulhante isotérmico

aquecimento desumidificação

pirólise com libertação de voláteis e formação de um

resíduo sólido carbonoso queima dos voláteis

queima do resíduo sólido carbonoso

(Van Loo e Koppejan, 2008)

(Moreira, 2007)

5



A reacção entre o C e o O2 à superfície de uma partícula de

carbono (na verdade de carvão), tem como primeiro produto

o CO, segundo a reacção:

Havendo agora duas possibilidades a considerar:

i) A queima do CO dá-se quase instantaneamente após

a sua formação, junto à superfície da partícula;

ii) A queima do CO terá lugar na fase gasosa longe da

Partícula.

No caso do leito fluidizado, onde as partículas evoluem no seio de um leito de inertes, estes actuam

como inibidores da reacção de oxidação do CO, o qual acaba por queimar longe das partículas.

(Guedes de Carvalho et al., 1991; Mota et al., 1994; Ribeiro e Pinho, 2004 )

21+C O CO2

2 21+CO O CO2

6



A taxa de queima de uma partícula de carbono

1 2

g c

d

K Sh kD

22C pn d CK

Da leitura da composição dos produtos gasosos da combustão de cargas de carvão,

principalmente via CO2 obtêm-se valores instantâneos de 1/K versus diâmetro da partícula d.

(Beça, 2011 )

7



(resistência global à queima) = (resistência devida à transferência de

massa por difusão) + (resistência devida à cinética da reacção química

heterogénea)

1

K g

d

Sh D

2

ck

15,0

25,0

35,0

45,0

55,0

65,0

75,0

0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040

1/K

[s/

m]

d [m]

Carvão de cortiça triturada – Temperatura do leito, 800 ºC di= 1,8 mm

di= 2,2 mm

di= 2,8 mm

di= 3,6 mm

di=1,8 mm - 25%

di=1,8 mm - 50%

di=2,2 mm - 25%

di=2,2 mm - 50%

di=2,8 mm - 25%

di=2,8 mm - 50%

di= 3,6 mm - 25%

di= 3,6 mm - 50%

(Beça, 2011 )

8



2 123 3

1 1 1 1

exp8 2

i ic cc

f

g c co c o c t o mf

f fd d f mt

Sh C k CD M M C U U UM A X

2 123 3

1 1 2 1 1

2

4exp1

i i

c

g c

f

cc o

c tmf

f fd d

Sh kD

tf m

CMU UM A X

Tempo de queima de uma carga

Tempo de queima de uma partícula em combustão em regime permanente

9



Quatro tipos de carvão estudados Carvão comercial. de p. manso (Pinus pinea)

Carvão de pinheiro manso recarbonizado

Carvão comercial de sobro (Quercus suber)

Carvão de sobro recarbonizado.

Massa das cargas (g) 5,00

Tamanhos das partículas (mm) 1,8, 2,2, 2,8 e 3,6

Temperaturas do leito (ºC) 600 700 750

Vel. mínimas de fluidização (mm/s) 50,1 46,6 45,1

Vel. do ar de fluidização (Umf)

Carvão p. manso

Carvão p. manso recarb.

Carvão sobro

Carvão sobro recarb.

7 9 12 7 9 12 7 9 12

Vel. do ar de fluidização (m/s) 0,35 0,45 0,60 0,33 0,42 0,56 0,32 0,41 0,54

Profundidade do leito (mm) 100

(Moreira, 2007)

10



(Moreira, 2007)

11



a) 600ºC 7Umf

y = 35,31x + 29,55

R2 = 0,77

0

40

80

120

160

0 1 2 3 4

d (mm)

1/K

(s

/m)

b) 600ºC 9Umf

y = 5,78x + 81,58

R2 = 0,75

0

40

80

120

160

0 1 2 3 4

d (mm)

1/K

(s

/m)

c) 600ºC 12Umf

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4

d (mm)

1/K

(s/m

)

min. recta horizontal mais provável

y = 88,46

T (

ºC)

U/U

mf (-

)

f (%

) (1

)

Sh (

-)

k c (

m/s

)

di (mm)

1,8 2,2 2,8 3,6

Cin

étic

a (%

)

Cin

étic

a (%

)

Cin

étic

a (%

)

Cin

étic

a (%

)

60

0 9 Mín. 1,65 0,02 91 89 86 83

12 Mín. 0,02 100 100 100 100

700

9 Mín. 2,35 0,07 82 79 75 70

12 Mín. 2,12 0,08 78 75 70 65

750

9 Mín. 4,53 0,12 85 82 78 74

12 Mín. 2,62 0,18 68 64 58 52

Peso relativo das resistências difusiva e cinética para queima de

partículas de carvão de pinheiro manso comercial

1) Fracção queimada para o instante correspondente

à resistência global mínima

(Moreira, 2007 )

12



Representação de Arrhenius

(Moreira, 2007)

13


> Carvões comerciais de pinheiro manso e

sobro

> Carvões de pinheiro manso e sobro recarbonizados

Os valores das energias de activação, para carvões de vários tipos de madeira e em várias condições de queima, existentes na literatura situam-se entre 84,9 e 160 kJ/mol.


682,2 101667,4 RT

ck e

6102,7 1053891,1 RT

ck e

(Moreira, 2007)

14



U/Umf = 9 U/Umf = 12

T (ºC) kc kc corrigido kc kc corrigido

600 0,025 0,020 0,023 0,020

700 0,071 0,059 0,082 0,064

750 0,116 0,112 0,176 0,143

Avaliação do efeito da fragmentação primária nos valores de kc. Caso das

partículas de carvão comercial de pinheiro manso com valores de kc correspondentes

à resistência global mínima

A contabilização da fragmentação

primária resulta numa diminuição de

cerca de 15 % do valor da constante

cinética da reacção kc

(Moreira, 2007)

15



68,9exp(-41,3 10 / )c pk RT Carvão de resíduos de cortiça

Carvão de rolhas de cortiça 670,8exp(-53,5 10 / )c pk RT

(Beça et al., 2011 )

16



Azinho (Quercus ilex)

Pereira (2011)

17


A utilização da técnica da combustão em leito fluidizado borbulhante permite a obtenção de dados cinéticos e difusivos em condições de operação próximas das encontradas na realidade operacional.

Por outro lado implicações negativas de componentes menores das cinzas no desempenho dos sistemas de queima, são facilmente detectadas à escala laboratorial através de deficiências da fluidodinâmica do reactor em leito fluidizado.

A biomassa dada a heterogeneidade de composição e a importância dos componentes das cinzas na operação de combustão apresenta um vasto campo para a realização de estudos de natureza fundamental.


> Conclusões

18


> Referências Beça, A. (2011), “Estudo Prévio da Queima de Carvão de Cortiça em Leito Fluidizado

e Recolha de Dados Cinéticos”, Dissertação MIEM, FEUP, Janeiro de 2011.

Beça, A., Rangel, N. e Pinho, C., (2011), “Estudo Prévio da Taxa de Queima de Carvão de Cortiça em Lito Fluidizado Borbulhante”. A ser apresentado no CIBEM 10, Porto, Portugal.

Guedes de Carvalho, J.R.F, Pinto, A.M.F.R. e Pinho, C.M.C.T., (1991), “Mass transfer around carbon particles burning in fluidised beds”, Trans. Inst. Chem. Engrs., Vol. 69, Part A, p. 63-70.

Moreira, N. A. R. (2007), “Caracterização da Combustão de Carvões Vegetais em Leito Fluidizado”, Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica, FEUP, Julho de 2007.

Mota, O. D. S., Pinto, A.M.F.R. e Campos, J.B.L.M., (1994), “Fluidised-bed combustion of a charge of a coke with a wide distribution of particle sizes”, Chemical Engineering Science, V. 49, N. 8, p. 209.

Pereira, C.A.C. (2011), Comunicação pessoal, Viseu

Ribeiro, L. e Pinho, C., (2004), “Generic Behaviour of Propane Combustion in Fluidized Beds”, Chemical Engineering Research and Design, 82(A12), p. 1597-1603.

Van Loo, S. e Koppejan, J. (2008), “The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing”, Earthscan, London


APRESENTAÇÃOA finalidade do II Congresso Ibérico de Biocombustíveis Sólidos é divulgar casos reais de aplicação de biomassa sólida em proces-sos de aproveitamento energético à escala tanto industrial como no sector terciário em Espanha e Portugal.

Devido ao crescente interesse, perspectivas de futuro e oportu-nidades de negócio transfronteiriço que se observam na Região da Galiza e do Norte de Portugal, consideramos de especial relevância o conhecimento da situação atual no âmbito da biomassa energética em ambos os países, assim como o intercâmbio de experiências, conhecimentos, projetos, etc., que permitam potenciar um mercado transnacional que consolide o uso deste tipo de Energias Renováveis.

Foi elaborado um programa que inclui desde o aproveitamento da biomassa florestal primária, passando pelas culturas energé-ticas de curta rotação, os processos de transformação física e conversão energética.

Neste programa faz-se especial destaque aos custos de produção, rendimentos obtidos, aspectos ambientais e situação atual dos mercados, tanto a nível industrial como à escala domé-stica.

Pretende-se assim, dar continuidade a este evento de forma bianual e alternativa em Espanha e Portugal, de forma a que este Congresso sirva de estímulo e ponto de encontro entre ambos os países no âmbito do aproveitamento dos recursos renováveis.

Dirigido a: Estudantes universitários, Empresários, Consultores, Professores, Técnicos e Profissionais do sector.

INFORMAÇÕES E INSCRIÇÕESCEBIO - Associação para a Promoção da BioenergiaCampus de Azurém da Universidade do Minho4800-058 – GuimarãesPORTUGALEmail: [email protected]: www.cebio.net

CUSTO DE INSCRIÇÃO:1º dia: 100€ (75€ para sócios da CEBIO) 50€ para estudantes Jantar do Congresso: 30€2º dia: Visitas incluindo almoço: 40€ (25€ para estudantes)

PAGAMENTO:Participantes de Portugal:Nome da Conta:Cebio – Associação para a Promoção da BioenergiaNIB: 0035 0130 0000 4744 8308 5

Participantes de Espanha:FEUGA / BBVANº cuenta: 01825947 / 11 / 0000102277Swift: BBVAESMMXXXIBAN: ES5101825947110000102277

HÓTEIS:

Hotel Guimarães ****www.hotel-guimaraes.com

Hotel Fundador ***www.hotelfundador.com

Villa Hotel ****www.villa-hotel.net

Hotel Toural ****www.hoteltoural.com

Hotel Ibiswww.ibishotel.com

Pousada Santa Marinha*****www.pousadas.pt

14 e 15 de Junho de 2011UNIVERSIDADE DO MINHOEscola de Engenharia,Campus de AzurémGuimarães - PORTUGAL

14 e 15 de Junho de 2011UNIVERSIDADE DO MINHOEscola de Engenharia,Campus de AzurémGuimarães - PORTUGAL

Organizado por:

PATROCINADOR:

A FICHA DE INSCRIÇÃO ENCONTRA-SE NO SITE DO CEBIO, COMO FICHEIRO QUE DEVERÁ DESCARREGAR E ENVIAR PREENCHIDO PARA O EMAIL [email protected].

A DATA LIMITE DE ENVIO E PAGAMENTO DA INSCRIÇÃO É 8 DE JUNHO

ENTIDADES COLABORADORAS:

14 JUNHO14 JUNHO

10:40-11:00 COFFEE BREAK

8:00-9:00 Recepção e entrega de documentação9:00 - SESSÃO DE ABERTURA – CONFERENCIA INAUGURAL Dr. Enrique Valero-Presidente Comité de Bosques UE.

1º TEMA: Recursos, Logística 9.40-10.00 “Estimativa de custos e tempos de trabalho de

recolha de biomassa florestal”, Luís Lousada, UTAD.10.00-10.20 “Desenvolvimento da Biomassa no contexto da

Floresta Portuguesa”, José L . Carvalho, Enerforest10.20-10.40 “Aplicação de SIG na caracterização dos recursos de

biomassa”, Pedro Cabral (ISEGI – UNL)

2º Tema: Culturas Energéticas11.00-11.20 “Modelos de Producción de Biomassa”, Daniel Vega, Universidade de Vigo11.20-11.40 “Culturas Lenhosas de curta rotação e Produção

Energética no Nordeste de Portugal”, João Azevedo, Instituto Politécnico de Bragança11.40-12.00 “Cultivos Energético: Producciones e Rendimientos”,

Raquel Dopazo, ENCE

3º TEMA: Tecnologias e Aplicações14.00-14.20 “Secado Natural de Biomassa”, Dr. Luiz Ortiz, EIF,

Universidade de Vigo14.20-14.40 “Evoluções recentes na Combustão e Co-combustão

de Biomassa, Mário Costa, IST14.40-15.00 “Estudos Sobre a Combustão de Carvões Vegetais

Portugueses em Leito Fluidizado, Carlos Pinho, FEUP15.00-15.20 “Co-Combustão de Biomassa e Resíduos Combus-

tíveis em FBC, Helena Lopes, LNEG15.20-15.40 “Fusão de cinzas na combustão de pellets”José

Carlos Teixeira, CEBIO

12:00-12:30 - MESA REDONDA

12:30-13:45 - ALMOÇO

15 JUNHO15 JUNHO

4º TEMA: APLICAÇÕES COMERCIAIS15.40-16.00 “Importância do biogás para o desenvolvimento

sustentável”, Madalena Alves, CEBIO16.00-16.20 “Desafios para a produção de bioetanol”, José António Teixeira, CEBIO16.20-16.40 “Mercado Pellets en España”, J. Alvarez, Ecowarm

5º Tema: QUALIDADE E CERTIFICAÇÃO17.00-17.20 “Qualidade dos biocombustíveis sólidos e sua

importância no mercado de calor” (CBE)17.20-17.40 “Rumo da eficiência energética de edifícios.

Importância e futuro da legislação”, ADENE17.40-18.00 “O sistema de certificação de pellets – Enplus”,

Christian Rakos, European Pellet Council

18.00: Sessão de Encerramento“Programa de Incentivo Culturas Energéticas”,Engº Gonçalo Alves, AFN – Autoridade Florestal NacionalPresidente da Escola de Engenharia da Universidade do Minho, Prof. Paulo Pereira, Presidente Câmara Municipal de Guimarães, Dr António Magalhães, Presidente do Conselho Europeu de Pellets, Doutor Christian Rakos

18.45 Assembleia Geral CEBIO Associação para a Promoção da Bioenergia

20.00 Jantar

VISITAS:

INSTALAÇÃO FABRICO DE PELLETS(LOUSADA)

FÁBRICA DE PRODUÇÃO DE PAPEL (VIANA DO CASTELO)

ALMOÇO INCLUÍDOViagem em autocarro com saída e regresso a Guimarães.

16:40-17:00 COFFEE BREAK

estudos sobre a combustÃo de carvÕes vegetais … · da análise dos resultados experimentais...

Documents