Controlo de emissões gasosas poluentes resultantes da conbustão de carvão em leito fluidizado

Abstract

A existência dum elevado conjunto de informação sobre combustão de carvão em leito fluidizado em reactores laboratoriais, exige a sua verificação em condições reais de combustão, nomeadamente em instalações à escala piloto e industrial. No entanto, este tipo de ensaios é escasso, não só pelo reduzido número de instalações existentes, mas também pela dificuldade em proceder a variações nas suas condições operatórias. Neste contexto, procedeu-se à construção duma instalação à escala piloto no Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro, e cujas potencialidades se apresentam neste trabalho. A infra-estrutura experimental tem por base um reactor de leito fluidizado borbulhante à escala piloto, projectado para a realização de estudos de combustão envolvendo uma potência nominal de 20 kW térmicos, e um sistema automático de controlo e amostragem gasosa. A câmara de combustão apresenta 0.24 m de diâmetro interno e 2.2 m de altura útil, e inclui um leito com 0.35 m de altura, constituído essencialmente por areia (partículas na gama 500-710 µm) e uma pequena quantidade de cinzas e calcário calcinado e sulfatado, no caso de adição de calcário. O leito fluidizado piloto permite efectuar a combustão de carvão em estado estacionário sob diferentes condições de temperatura, excesso de ar, adição do ar por estágios e com adição de agentes de dessulfurização. Foi estudada a combustão dum carvão betuminoso e duma antracite no reactor piloto de leito fluidizado borbulhante, com e sem adição de calcário. Os ensaios foram realizados em estado estacionário utilizando 10, 25 e 50 % de excesso de ar, e temperaturas do leito na gama 750-900 ºC. O ar de combustão foi repartido em dois estágios e a três níveis, onde o ar primário representava 100, 80 e 60% do ar total. Foram medidas concentrações de O 2 , CO 2, CO, NO, N 2O, SO 2 e temperatura, no leito e ao longo do freeboard . A análise dos resultados experimentais para os dois tipos de carvão mostra que com o aumento da temperatura a emissão de NO aumenta e a de N 2 O diminui. O reforço do estagiamento reduz a emissão de NO e N 2O, mas afecta de forma adversa a emissão de CO. O aumento do excesso de ar resulta num aumento da eficiência de combustão, mas agrava a emissão de NO e N 2O. A adição de calcário reduz a emissão de N 2O, embora o efeito só se verifique na presença de condições oxidantes no primeiro estágio. Também para o NO o efeito da presença de calcário é condicionado pela estequiometria do primeiro estágio; para condições oxidantes a emissão de NO é superior na presença de calcário, enquanto que para condições redutoras poderá inclusivamente ser inferior à observada na ausência de calcário. A emissão de óxidos de azoto (NO, N 2O) durante a combustão do carvão betuminoso é superior à observada para a antracite. Porém, quando referida à unidade de massa de azoto alimentado no combustível, a emissão de óxidos de azoto é inferior para o carvão betuminoso. No que respeita ao SO2, a adição de calcário permite obter remoções na gama 25-90%, embora bastante dependentes das condições operatórias, em especial da temperatura e estequiometria do primeiro estágio. De entre os efeitos analisados, o mais significativo revelou ser o da repartição do ar de combustão; um aumento na repartição do ar reduz substancialmente a eficiência de captura do enxofre. Relativamente ao efeito da temperatura verificaram-se diferentes comportamentos. Na gama 750-825 ºC a tendência é para um aumento na remoção do SO2 com o aumento da temperatura, embora seja possível observar também o inverso, apesar de nestes casos os valores de remoção serem próximos. Na gama 825-900 ºC ocorre uma diminuição na captura do SO2 com o aumento da temperatura. Foi ainda desenvolvido um modelo de combustão em leito fluidizado, a partir duma versão do modelo de Rajan & Wen (1980), em que se analisaram vários aspectos relacionados com a combustão de carvão, embora só para combustão num estágio. Genericamente, as tendências previstas pelo modelo são qualitativamente coerentes com os resultados experimentais. Contudo, no caso do NO e contrariamente ao observado quer experimentalmente quer referido na literatura, as previsões do modelo apontam para um efeito do aumento da temperatura na emissão de NO oposto e muito mais marcado do que o que realmente ocorre. As simulações efectuadas permitem concluir que no leito o balanço das reacções de formação/destruição dos óxidos de azoto pela via heterogénea predomina sobre a via homogénea; no freeboard o processo é dominado pela via homogénea.

The existence of an enormous quantity of information about combustion of coal in fluidized beds in laboratorial reactors, demands their verification during combustion in real conditions, respectively in pilot and industrial facilities. However, this kind of information is scarce, not only due to the low number of existing facilities, but also as a result of the difficulty in introducing variations in their operational conditions. In this context, a pilot scale facility was designed and built in the Department of Environment and Planing of the University of Aveiro, and its potentialities are presented here. The experimental installation consists of a pilot scale bubbling fluidized bed reactor projected for combustion tests involving a nominal power of 20 thermal kW, and an automatic command and control system for reactor operation and gas sampling. The furnace section has an internal diameter of 0.24 m and an overall height of 2.2 m, and includes a bed with about 0.35 m height, composed mostly of sand with particle diameter in the range 500-710 µm, with a small amount of coal ash, and calcinated and sulfated limestone, in the case of limestone addition. The functionality of the installation comprises the steady state combustion of coal with continuous addition of coal and additives, at different temperatures and excess air ratios, and also air staging, with and without addition of sulfur dioxide adsorbents. The combustion of two coals (bituminous and anthracite) was studied in the pilot scale fluidized bed operating in bubbling regime, with and without limestone addition. The experiments were conducted in steady state conditions using 10, 25 and 50% excess air levels, and bed temperatures in the range 750-900ºC. The combustion air was divided in two stages and at three levels, were the primary air was 100, 80 and 60% of the total air. The gas composition in terms of O 2, CO 2, CO, NO, N 2O, SO 2 and temperature, were measured in the bed and along the freeboard . The analyses of results for the two coals tested revealed that an increase in the temperature increases NO emission and decreases N 2O. The increase in the degree of air staging reduces the emission of both NO and N 2O, but adversely affects the emission of CO. The increase in excess air promotes an increase in the combustion efficiency, but adversely affects the NO and N 2O emission. Limestone addition reduces N 2O emission, although the effect is only verified in the presence of first stage oxidant conditions. Also for NO, the effect of limestone presence is conditioned by the first stage stoichiometry; first stage oxidant conditions gives higher NO emissions in the presence of limestone, while during first stage reducing conditions the NO emission can inclusively be lower than the one observed in the absence of limestone. The emission of nitrogen oxides (NO, N 2O) during bituminous coal combustion is higher when compared with the anthracite. However, when corrected for the nitrogen content in the fuel added to the reactor, the emission of nitrogen oxides tends to be lower in the case of bituminous coal combustion, in comparison with the anthracite. In relation to SO2, limestone addition leads to sulfur retention in the range 25- 90%, although very dependent on operational conditions, in special temperature and first stage stoichiometry. Among the analyzed effects, the most significant was the air staging; an increase in air staging substantially reduces sulfur capture efficiency. In relation to the temperature effect, different behaviors have been detected. In the range 750-825 ºC although a tendency for an increase in the SO2 retention with an increase in temperature is observed, the reverse it was also possible; however, in this case the retention values are very close. In the range 825-900 ºC a decrease in sulfur capture with an increase in the temperature was observed. A fluidized bed combustion model was also developed, based on the initial version of Rajan & Wen (1980) model, for which several aspects related with combustion of coal in fluidized beds were analyzed, although just for combustion with air addition in one stage. In general, the trends provided by the model are in qualitative agreement with the experimental results obtained. However, in the case of NO emission and in contradiction with the experimental observations and the results often referred in the literature, the predictions revealed an effect of the temperature increase opposed and much more pronounced than the one that really occurs. The simulations revealed that in the bed the balance between the nitrogen oxides formation/destruction mechanisms by heterogeneous path prevails over the homogeneous path; in the freeboard the process is governed by the homogeneous path.