Optimização das condições de operação de uma caldeira a biomassa

Abstract

As metas estabelecidas para a utilização de recursos energéticos renováveis, aliadas ao seu baixo custo comparativamente com as fontes energéticas convencionais, têm levado a uma maior procura do sector industrial por novas soluções de produção de energia térmica. Surgem assim caldeiras a biomassa, em substituição das tecnologias convencionais a diesel ou gás. No entanto, as caldeiras a biomassa apresentam algumas dificuldades de operação, nomeadamente a utilização de um combustível heterogéneo, e a emissão de gases como o CO e NO e também de material particulado. Enquanto que o primeiro acarreta uma perda de eficiência do equipamento, o NO está associado a problemas ambientais, sendo por isso alvo de valores de emissão recentemente mais restritos. Por este motivo, o objetivo do trabalho aqui apresentado é a otimização de uma caldeira a biomassa, tendo em conta o valor limite de emissão de NO e evitando emissões de CO que excedam os limites legais, dado que existe um trade-off entre as emissões destes dois compostos. Para otimizar o sistema, avaliou-se o resultado do ajuste de parâmetros como a repartição de ar por estágios e o excesso de ar. Como resultado do trabalho de monitorização da operação da caldeira verificou-se que era possível operar a fornalha respeitando os limites de emissão aplicáveis ao NOx e CO, 181,8 mg Nm-3 a 11% de O2 e 454,5 mg Nm-3 a 11% de O2, respetivamente. A razão de excesso de ar e a estequiometria do primeiro estágio que conduzem às menores emissões de NO são de λ=1,56 e λ1º=0,57 tendo sido obtidas no ensaio em que se definiu A1=20 %, A2=20% e A3=20%. Estas condições permitiram obter uma concentração de NO (como NO2) de 107,3 mg Nm-3 a 11% de O2 e uma concentração de CO de 238,2 mg Nm-3 a 11% de O2. Nestas condições destaca-se a ocorrência de valores instantâneos na concentração de CO que excedem o VLE, devido à introdução intermitente de biomassa, no entanto os valores médios não excedem o VLE

Targets for the use of renewable energy sources and their lower prices compared to fossil fuels have driven the demand for alternative heat production in industries. Biomass boilers are now being used for thermal energy production in place of diesel or gas boilers. However, biomass fueled boilers face technical problems related with their inhomogeneous fuel and pollutants emissions. Regarding atmospheric pollutants, alongside with particulate matter, CO and NO are of the most concern because, the first is related with the efficiency and the latter with environmental damage and consequently stricter emission limits. For these reasons, and because there is a trade-off between CO and NO emissions, the objective of this work is to optimize a biomass furnace to reduce NO emissions and operate under CO emissions limits. To achieve the stated objective, several operating conditions were tested by changing parameters like the excess air ratio and air staging. The monitorization of the furnace showed that was possible to operate the furnace below emission limits regarding NOx and CO, 181,8 mg Nm-3 @ 11% of O2 and 454,5 mg Nm-3 @ 11% of O2, respectively. The optimized conditions, which lead to the minimum emission of NO, are λ=1,56 e λ1º=0,57, and were attained in the test where, A1=20 %, A2=20% e A3=20%. These conditions result in a NO concentration (as NO2) of 107,3 mg Nm-3 @ 11% de O2 and a CO concentration of 238,2 mg Nm-3 @ 11% de O2. In this test, although CO average concentration is lower than the defined limit, several exceeding values occur, which were found to be related with the intermittent biomass feeding