Os leitos fluidizados circulantes foram introduzidos na indústria, a partir de combustores (geração energética térmica), no início da década de 80 [77]. A ideia de combustores de leito fluidizado evoluiu a partir de esforços para encontrar processos que permitissem o controle de emissões sem usar processos auxiliares de limpeza de gases. Esta tecnologia permite queimar combustíveis a 750-950 ºC, abaixo 1300 ºC, onde os átomos de nitrogênio e oxigênio do ar combinam-se para formar poluentes como NOx [78].
A ação da turbulência da mistura gás-sólido, em combustores de leito fluidizado permite adição químicos como dolomita e calcário, capazes de absorver poluentes (enxofre, nitrogênio, etc), evitando o uso de processos de limpeza de gases de exaustão. Por exemplo, mais de 90% do enxofre presente no carvão pode ser capturado com uso de adsorventes [79].
A popularidade da combustão em leito fluidizado está relacionada com sua flexibilidade do processamento de diversos combustíveis (qualquer material que contenha carbono pode ser processado) e captura de poluentes, sem a necessidade de caros processos de limpeza de gases.
A tecnologia de leito fluidizado incentivou a elaboração de diversos programas de pesquisa para combustão limpa de carvão. A 1ª geração de combustores de leito fluidizado trabalharam com regimes borbulhante, consequentemente, baixas velocidades de fluidização, em condições de pressões atmosféricas ou pressurizados. A atual 2ª geração de combustores de leito fluidizado trabalha com regime de fluidização rápido e efeito circulante, exigindo maior velocidade de fluidização e proporcionando maior eficiência de combustão, menor produção partículas (devido a recirculação) e melhor a captura de poluentes (devido ao aumento do grau de contato gás-sólido) [80].
Segundo a literatura [77] [81] [82], a operação de um combustor de leito fluidizado circulante (LFC ou
CFB), pode ser resumida nas seguintes características:
• Opera com partículas polidispersas, preferencialmente no regime rápido podendo variar seu regime entre o borbulhante e transporte pneumático.
• Opera em altas velocidades relativas entre o gás e a partícula devido ao agrupamento de partículas, normalmente, superior a velocidade terminal;
Página 29 • A manutenção do regime rápido deve assegurar uniformidade de temperatura no reator (850 ºC)
e altas taxas de circulação externa (combustível e inertes);
• A manutenção do regime também garante circulação interna e alto tempo de residência devido aos efeitos combinados com a circulação externa;
• Permite a injeção direta de diversos compostos capazes de promover a redução eficiente e controle da emissão dos gases de exaustão da combustão (redução de alcatrão, CO2, NOx e SOx), reduzindo a necessidade de processos de limpeza de gases;
• Alta flexibilidade em misturar combustíveis de diferentes poderes caloríficos e características granulométricas;
• Elevada eficiência de conversão de carbono, operando em regime rápido, quando comparado com a operação noutros regimes como o borbulhante e turbulento;
• Pequena área de seção transversal do reator devido as altas taxas de transferência de calor e massa quando comparado a reatores não fluidizados;
• Boa capacidade de seguimento de demanda de carga (mudanças nos valores de desejados da energia produzida) devido as altas velocidade de fluidização e a possibilidade de processar elevadas quantidades do inventário de massa
Devido as vantagens de câmaras de combustão em leito fluidizado circulante seu escalonamento tem sido amplamente aumentado, desde 84 MWth [83] [84] até 800 MWth [85] [86].
Tanto o escalonamento quanto e suas condições de controle de regime requerem conhecimentos sobre a dinâmica dos fluidos, mistura, transferência de calor e massa, etc. As estruturas multi-escala de reatores industriais e laboratoriais diferem grandemente. Por isso, é necessário o auxílio de modelagem numérica para reduzir os custos de projeto e busca de condições de controle e operação [77].
A operação de combustor circulante é realizada quando a velocidade do gás de entrada, promove um deslizamento maior do que a velocidade terminal das partículas, suficiente para arrastar as partículas e formar um padrão de escoamento núcleo-anelar, chamado de regime rápido. Neste regime, ocorre na coluna, um movimento de circulação interna das partículas, em que sobem pela parte central da coluna (núcleo) em fase diluída (perfil de alta porosidade), e descem pela borda da coluna (região anelar) em fase densa (perfil de baixa porosidade). Este padrão de escoamento garante alto grau de contato entre as partículas e maximiza a transferência de calor e massa [87] [88].
A detecção e manutenção do regime rápido, em operações industriais, ainda é ambígua quanto ao estabelecimento da faixa operacional da velocidade do gás de entrada, para manter determinado tipo de partícula neste regime [77]. Medições indiretas para detecção da velocidade de afogamento, pode auxiliar a busca e manutenção, contínua, do regime rápido em unidades industriais. Grandes companhias, como a Foster Wheeler, a GePower, a Babcock & Wilcox, entre outras, trabalham com balanços globais de pressão (coluna, ciclone, malha circulante e selo mecânico), correlações de perfis de porosidade do tipo S (conforme a Figura 6) e correlações laterais.
O perfil típico de porosidade axial do regime de fluidização rápido é caracterizado, qualitativamente, por uma região de fluxo denso, na base, coexistindo com uma região de fluxo diluído, no meio e no topo. Quantitativamente, esse comportamento pode ser caracterizado pele perfil de porosidade do tipo S. A transição gradual entre a parte inferior e superior pode ser explicado pela difusão de agrupamento de partículas ao longo da coluna. Outra característica marcante do regime de fluidização rápido, é a formação de um perfil de porosidade lateral do escoamento núcleo-anelar, onde há a coexistência de uma região central diluída ascendente e outra anelar (adjacente a parede) densa descendente. A composição do movimento ascendente central e descendente anelar é responsável pela circulação interna. Enquanto o material excedente, que é arrastado para fora da coluna, promovendo a circulação externa através da malha circulante. A associação dos movimentos de circulação interna e externa
Página 30 garantem elevado tempo de residência, altos fluxos de massas, altas taxas de transferência de calor e massa [77].
O controle da temperatura e a manutenção dos perfis são as principais referências para o controle de combustores circulantes. Contudo, esta estratégia não seria adequada caso o propósito do reator fosse alterado para geração de gás combustível, ao invés de apenas calor. A sensibilidade da cinética de reação, devido à falta de manutenção rigorosa do contato fluido-partícula, ou seu regime, poderia resultar em variações da composição molar do gás produzido.