Projecto de sistema à escala piloto para conversão energética de biomassa

Abstract

A conversão térmica de biomassa através da sua combustão directa tem um potencial de aplicação relevante tanto na criação de novas aplicações de produção de energia como na substituição de sistemas existentes que recorrem à utilização de combustíveis fósseis. A viabilidade deste processo é condicionada por toda a sequência da cadeia de utilização e valorização da biomassa, desde a obtenção das matérias-primas até à operação dos sistemas de conversão energética. A utilização deste tipo de tecnologia depende da sua optimização tanto ao nível da eficiência do processo de combustão como dos mecanismos de formação e emissão de poluentes. As características muito diversificadas dos potenciais combustíveis condicionam o desenvolvimento dos processos tecnológicos dos respectivos sistemas de conversão térmica. A eficiência energética na operação do sistema assume particular relevância para a sua viabilização, tal como o necessário cumprimento dos requisitos legais associados à emissão de poluentes para a atmosfera, com particular ênfase nos poluentes com origem nos processos de combustão incompleta (CO, COV, PAH, partículas,...). A formação e emissão destes poluentes é directamente condicionada pelas condições de temperatura, excesso e distribuição de ar ao longo do sistema. A identificação da necessidade de optimização e de desenvolvimento tecnológico dos sistemas actuais levou ao objectivo de planear a operação de uma instalação piloto para uma gama de utilização intermédia que apenas faz sentido ao nível industrial, de serviços ou comunitário. Com este sistema pretende-se contribuir para colmatar a falta de dados que caracteriza o processo de combustão de biomassa em leito fixo nesta gama de utilização, de forma a optimizar a tecnologia existente que serve de base ao seu desenvolvimento e a definir os mecanismos de controle do processo. O dimensionamento das câmaras de combustão teve por base a aplicação de uma metodologia baseada no balanço mássico e energético e na consideração dos parâmetros cinéticos associados à oxidação do CO. O dimensionamento desenvolvido e os resultados obtidos permitiram estabelecer as principais especificações de um sistema à escala piloto para conversão de energia térmica a partir de biomassa, considerando um processo de combustão de estilha seca numa caldeira vertical, com uma potência térmica nominal de 581 kW. Os sistemas de tratamento de efluentes gasosos (multiciclone e filtro de mangas) foram igualmente dimensionados para esse sistema, bem como os principais sistemas complementares (armazenagem de biomassa, exaustão de gases e chaminé). O dimensionamento desenvolvido teve como objectivo permitir a operação do sistema piloto numa gama alargada de condições (com principal relevância dada à possibilidade de variação do excesso de ar entre 0,75 e 1,75) de forma a permitir a realização de ensaios e testes de optimização das condições de combustão e do tratamento de efluentes gasosos nessa mesma gama alargada de condições. A necessidade de efectuar algumas considerações e aproximações nos cálculos efectuados, por falta de dados concretos disponíveis na bibliografia, reforça a necessidade já identificada de uma contínua investigação aplicada nesta área, bem como a relevância dos resultados que podem vir a ser obtidos com a instalação à escala piloto dimensionada neste trabalho. Para as tecnologias de combustão actualmente em utilização, nomeadamente as fornalhas e multiciclones do caso de estudo, foi identificado um conjunto de oportunidades de optimização imediata e as necessidades de investigação e desenvolvimento tecnológico (I&DT).

The thermal conversion of biomass through direct combustion has a wide potential of application in new plants such as in replacing fossil fuels in existing ones. This process viability is determined by the complete chain of biomass use and valorization, from its harvesting to its final thermal conversion. The widespread use of this kind of technology depends on its optimization both on the efficiency of the conversion system and the pollutant emissions from the combustion process. The wide diversity of the potential biomass fuels defines the development of the thermal systems technological processes. The energetic efficiency in the system operation is critical to its economical feasibility, such as the conformity with legal and regulamentar requirements associated with emissions to the atmosphere. High attention is given to unburnt pollutants such as CO, VOC, PAH and soot. Their formation and emission is highly dependable on temperature, excess air and air staging throughout the system. The awareness for this requirement of technological development and optimization of the present systems defined the goal for planning the development of a pilot scale system, for a medium-scale combustion plant mainly used for industrial or district heating. The operation of this pilot scale system shall provide necessary and unavailable data for this medium scale systems to support the development and optimization of the existent fixed bed technology, such as its control devices and strategies. The combustion chamber project was based on the mass and energy balance and on the CO oxidation kinetic aspects. The calculation development and its results allowed the definition of the main data for the thermal conversion pilot scale system, taking into account the burning of dry wood chips, on a vertical furnace with a nominal thermal power of 581 kW. Flue gases treatment devices (multicyclone and bag filter) were also developed such as ancillary systems (wood chips storage, exhaust fan and chimney). The developed system (both the combustion chambers and flue gases treatment equipment) was intended to provide a wide range of operational variability (excess air ranging from 0,75 to 1,75) allowing experimental analysis in that same wide range of operational conditions. The lack of availability for some data in the available references reinforces the scientific value and relevance of the development of the pilot scale system for the apllied research and development (R&D) activities it shall provide. Different optimization opportunities are identified for the presently used combustion technologies such as the technological development required for the future R&D activities in the pilot scale system.