O desempenho de leitos fluidizados na conversão de biomassa

Abstract

A conversão de combustíveis de biomassa recorrendo a tecnologias de leito fluidizado apresenta vantagens inerentes, como a eficiente transferência de calor, a grande área de superfície de contato, a boa mistura de sólidos, as baixas temperaturas de combustão, a baixa emissão de poluentes e a flexibilidade de combustíveis. No entanto, apresenta problemas operacionais relacionados com a existência de materiais alcalinos e deposição continuada das cinzas no material do leito, que levam à formação de aglomerados, constituídos por compostos suscetíveis de formar eutécticos, que levam à desfluidização e, consequentemente, à paragem do processo de combustão o que se traduz em custos de operação e manutenção. No âmbito deste trabalho, e tendo em vista o estudo das condições de operação que conduzem à desfluidização de LF, foi estudado o efeito da temperatura, da concentração de oxigénio e da massa e granulometria queimada de carbonizado num reator de leito fluidizado à escala laboratorial. Foram registadas a composição gasosa, a temperatura bem como o comportamento do leito em função do uso, tendo sido recolhidas amostras e analisadas por: XRF, SEM, EDS e XPS. Os resultados obtidos mostram que a temperaturas elevadas e a falta de homogeneização prévia do leito, levam a uma rápida deterioração deste. Para leitos de areia verificou-se que, na ausência de homogeneização ocorria desfluidização em resultado da acumulação de 0,68% de cinza no leito a 800 °C, mas foi necessária uma acumulação de 3,1% de cinza a 700 °C. Em condições de homogeneização da combustão a desfluidização ocorreu para uma acumulação de 1,7% de cinza, mesmo para temperaturas superiores a 800 °C. A análise da composição das cinzas por XRF (base livre de oxigénio) mostrou a presença de cálcio (53,0%), potássio (27,5%), magnésio (11%) e fósforo (2,7%). A análise SEM mostrou a ocorrência de material fundido a envolver e a unir as partículas de areia. A análise XPS das partículas aglomeradas identificou a presença de silício (22,9%), cálcio (11,3%), potássio (3,6%) e magnésio (0,7%), configurando um eutéctico com uma composição e comportamento típicos do vidro. O trabalho desenvolvido inclui ainda o registo das condições de combustão, (caudal, composição da mistura comburente) e da temperatura e composição dos produtos gasosos da combustão. O balanço mássico das condições de operação aponta para a ocorrência do fenómeno da elutriação. Nos ensaios efetuados verifica-se que a limitação à velocidade de combustão é devida ao caudal de oxigénio admitido, que a concentração de CO diminui ao longo do tempo de combustão e que a granulometria condiciona o nível da emissão de CO. Para 5% de oxigénio e 3,3% de carbonizado foi obtida uma condição quasi-estacionária de combustão.

The conversion of biomass fuels using fluidized bed technologies has inherent advantages such as efficient heat transfer, large area of contact surface, good solids mixing, low temperatures of combustion, low emission of pollutants, and the variety of fuels. However, there are operational problems that relate to the existence of alkali materials and continuing deposition of ash on the bed material, which leads to the formation of agglomerates. consisting of compounds capable of forming eutectics, that lead to the bed defluidization, and consequently to the halt of the combustion process, which results in operating and maintenance costs. In this work, and in order to understand the operating conditions leading to the defluidization phenomenon, we studied the effect of temperature, oxygen concentration, and char’s burned mass and size, in a fluidized bed reactor of laboratory scale. Gas composition and temperature changes of different combustion assays were recorded, as well as the behavior of the bed according to usage, and samples were collected and analyzed using different technologies: XRF, SEM, EDS and XPS. The results obtained show that the higher the temperature and the lack of homogenization of the fluidized bed, the faster it deteriorates. It was observed that for sand beds, in the absence of homogenization, defluidization occurred with 0,68% of bed ash content at 800 °C, but 3,1% of bed ash content were required at 700 °C. Under conditions of homogenization, defluidization was achieved for 1,7% of ash content even for temperatures above 800 °C. The ash composition analysis by XRF (based on oxygen free content) showed the presence of calcium (53,0%), potassium (27,5%), magnesium (11,0%) and phosphorus (2,7%).The SEM analysis revealed the occurrence of melt involving and joining the sand particles. The XPS analysis of the agglomerated particles identified the presence of silicon (22,9%), calcium (11,3%), potassium (3,6%) and magnesium (0,7%), forming an eutectic with a composition and behavior typical of glass. The developed work also included the recording of the combustion conditions (flow rate and oxygen content of the comburent mixture), and the analysis of the combustion flue gases. The mass balance of the operating conditions suggests the occurrence of elutriation. In the tests performed it was observed that the limitation to the speed of combustion is due to the flow rate of oxygen inlet, that the CO concentration decreases throughout the time of combustion and that the particle size determines the level of CO emissions. for 5% oxygen and 3,3% of char the combustion reached quasi-stationary conditions.