Oxidação e redução de poluentes em leito fluidizado

Abstract

O estudo das reações termoquímicas envolvendo CO2, O2, CO, carbonizados e sólidos de diferente natureza é um assunto com importância quer na área da conversão de combustíveis quer na área ambiental relativa à emissão de poluentes. No âmbito do trabalho realizado, foi efetuada uma análise bibliográfica sobre a gasificação de carbonizado em reator de leito fluidizado borbulhante tendo em vista o estudo cinético das reações heterogéneas envolvendo as condições referidas. Este trabalho surge ainda na continuidade de trabalhos anteriores experimentais sobre a cinética da reação de redução do CO2 com carvão vegetal (reação de Boudouard) variando a concentração do reagente e a tipologia do leito utilizado. Os ensaios experimentais foram realizados com misturas gasosas de concentrações de 5%, 10% e 20% de CO2 numa gama de temperaturas entre 680 e 930ºC na presença de cargas de aproximadamente 6 g de carbonizado, com granulometria entre 710 e 1000μm. O modelo de análise dos resultados experimentais obtidos compreende a avaliação do efeito do transporte difusivo e convetivo em leito fluidizado na camada limite das partículas, bem como, na determinação dos parâmetros cinéticos da reação química heterogénea de consumo de CO2 e formação de CO. A análise dos resultados obtidos mostra que a conversão de CO2 aumenta com a temperatura, sendo superior para as concentrações mais baixas. Os valores das resistências à transferência de massa demonstram que a resistência que mais contribui para as limitações da reação está associada à reação química heterogénea e ao transporte nos poros do carbonizado. A aplicação do modelo desenvolvido mostra que as velocidades de formação e desaparecimento de CO2 são tanto maiores quanto maior for a concentração do reagente e a temperatura do reator. As velocidades de desaparecimento do CO2 variam entre 1,35E-09 e 5,06E-07 molCO2·cmr -3·s-1 a 725ºC e a 977ºC respectivamente. Nestas condições, para uma cinética de primeira ordem, em leito de areia, a reação de Boudouard apresenta uma energia de ativação de 200 a 250 kJ.mol-1 e um fator pré-exponencial de 107 a 109 mf 3kgC -1s-1. O estudo preliminar da reação CO+O2 em leito fluidizado mostrou que a presença de cinzas de combustão de biomassa tende a reduzir a velocidade de reação, quando comparada com leito de areia. A substituição de leito de areia de quartzo por um leito com um conteúdo mais elevado de componentes ferromagnesianos mostrou que o desempenho em relação à velocidade das reações estudadas é sensivelmente idêntico. Concluindo, os leitos de cinzas têm um efeito catalítico nas reações com CO2, no entanto, no estudo da oxidação do CO este material teve um efeito inibidor da reação.

The study of thermochemical reactions involving CO2, O2, CO, carbonized and different nature solids is an important subject in the fuel conversion or in emissions of environmental pollutants. In this context, a review was made taking into account the gasification of the char in bubbling fluidized bed, aiming the study the heterogeneous reactions kinetics involving the referred conditions. To complement previous studies, additional experiments were made particularly on the kinetic of the reduction of CO2 with vegetal charcoal (Boudouard reaction). In this study the concentration of reagent and the type of bed used were modified. Experimental tests were performed using different mixtures of CO2 gaseous concentrations (5%, 10% and 20%), in a temperature range from 680°C to 930°C and a load of approximately 6g of carbonized particle (sized from 710 to 1000μm). The analysis model of the experimental results includes evaluation of the effect of diffusive and convective transport of fluidized bed particles into boundary layer. Additionally it was determined the kinetic parameters of the heterogeneous chemical reaction of CO2 consumption and CO formation. The analysis model of the experimental results includes evaluation of the effect of diffusive and convective transport of fluidized bed particles into boundary layer. Additionally it was determined the kinetic parameters of the heterogeneous chemical reaction of CO2 consumption and CO formation. Results show that CO2 conversion is higher at higher temperatures and lower reactant concentrations. Also, regarding the resistance to mass transfer, it was observed that the resistance that limits the reaction is the one associated to heterogeneous chemical reaction and transport pores in the carbonized (R1). Concerning the application of the developed model, CO2 formation and disappearance speeds increase with higher reagent concentration and reactor temperature. The CO2 disappearance speed, range from 1,35E-09 to 5,03E-07 molCO2.cmr -3.s-1 at 725ºC and 977ºC. In this conditions, for the first order kinetics, in sands bed, the Boudouard reaction introduce the activation energy from 200 a 250 kJ.mol-1 and pre-exponential factor from 107 a 109 mf 3kgC -1s-1. The preliminary study of CO+O2 reaction in fluidized bed showed that the combustion biomass ashes compared with sand bed reduce de speed reaction. The replacement of quartz sand bed by a higher content of ferromagnesian material has showed that the speed reaction performance studied is similar. In conclusion, the ashes bed have a catalytic effect in reactions with CO2, however, this material in study of CO oxidation have an inhibitory effect reaction.