Monitorização das condições de operação de uma fornalha com grelha móvel para combustão de biomassa

Abstract

Utilizado há milhares de anos em contexto energético, o processo de conversão termoquímica – combustão – aplicado a biomassa apresenta diversas vantagens, salientando-se o aproveitamento energético através de um recurso renovável e neutro na perspetiva do CO2. Todavia, encontram-se inconvenientes relacionados com a emissão de poluentes nocivos para o ambiente e para a saúde do ser humano. Desta forma, o objetivo deste trabalho focou-se na monitorização das condições de operação do processo de combustão, com o intuito de encontrar as condições, para os parâmetros testados, que minimizem os impactos associados ao processo. Para a realização deste trabalho efetuou-se a combustão de pellets de madeira numa caldeira de leito fixo de média potência (581 kWth), que integra um sistema de alimentação sem-fim, uma fornalha com grelha móvel reciprocating e dois permutadores de calor para o aquecimento de água (um horizontal e um vertical). O sistema inclui ainda um multiciclone para o despoeiramento do efluente gasoso e um ventilador para a extração dos gases para o exterior pela chaminé. Para a obtenção do ponto de operação que minimize as emissões de CO e NO, foram analisados três parâmetros distintos: distribuição de ar primário na fornalha, excesso de ar e movimentação das grelhas. O procedimento experimental baseou-se na variação das percentagens de ar primário nas três secções da grelha, fixando os ciclos de trabalho das mesmas, com a finalidade de determinar o ponto de funcionamento mais adequado para as condições testadas. Posteriormente, utilizando a experiência com as condições mais adequadas do parâmetro anterior, realizaram-se mais dois testes, onde se fez variar o excesso de ar na fornalha. Seguiram-se dois ensaios onde se variaram os ciclos de trabalho das grelhas, comparando os resultados com o ponto mais adequado obtido da conjugação dos dois parâmetros anteriormente mencionados. Analisados os parâmetros enunciados, conclui-se: • A diminuição do caudal de ar primário na segunda secção da grelha e o aumento na terceira parecem fomentar a emissão de CO. A produção adicional de NO pode estar associada a uma estequiometria do primeiro estágio muito elevada e do possível arrastamento de material combustível da grelha para o segundo estágio, por ação da movimentação das grelhas e excesso de escoamento de ar primário; • Verifica-se que há uma disparidade entre os valores teóricos e observados experimentalmente para as razões de excesso de ar, o que implica um ajuste do sistema de controlo e operação da caldeira; • A movimentação das grelhas influencia a combustão, favorecendo ou limitando a extensão da reação global do processo em causa. Através dos resultados obtidos, é possível concluir-se que a alteração da movimentação das grelhas tem impacto ao nível da emissão de compostos inqueimados. Por outro lado, este parâmetro não afeta as restantes variáveis monitorizadas, nomeadamente a emissão de NO.

Used for thousands of years in an energetic context, the process of thermo-chemical conversion – combustion – applied to biomass entitles several advantages, namely the energy use through a renewable and CO2-neutral resource. However, there are inconveniences, specifically the emission of pollutants dangerous for both the environment and the human being. Therefore, the objective of this work was the monitoring of the operational conditions of a combustion process, in such a way that parameter values can be obtained that, for the tested environments, minimize the process impact, whilst maximizing the system’s efficiency. For the present work, the combustion of wood pellets was conducted in a medium power (581kWth) fixed-bed boiler which integrates an Archimedes-screw feeding system, a furnace with reciprocating grate and two heat exchangers (one horizontal, one vertical) for the water heating process. The system includes also a multicyclone for the dust removal of the gaseous effluent and an extraction fan for flushing the gases out the chimney. Three separate parameters were analyzed: primary air distribution in the furnace, air excess and grate movement. The experimental procedure was done through the variation of the percentage of primary air in all the grate sections, fixating the work-cycles thereof, to find out the appropriate conditions of the system. Afterwards, for that point, two rehearsals were conducted, by varying the air excess in the furnace. Finally, two more experiments were conducted, varying the grates’ work-cycles, comparing the obtained results with those of the point most appropriate conditions. By analysis of the results, it can be concluded that: • The reduction of primary air flow in the second section and the increase in the third section can boost CO production. The additional production of NO may be associated with too much air in the very first stage and the possible entrainment of fuel material from the grate to the second stage, due to the movement of the grate and the excess of primary air flow; • There is a disparity between the theoretical and actual values for the excess air ratios, which implies an adjustment of the boiler control system; • The grate movement influences the combustion, favoring or limiting the extent of the overall reaction of the process in question. By means of the obtained results, it is possible to conclude that the change in the grate movement has an impact on the emission of unburnt compounds. On the other hand, this parameter does not affect the remaining variables monitored, namely the NO emissions.