6 L1 & L2 Perception
6.1 Introduction 99
Vários índices têm sido desenvolvidos para prever o comportamento do carvão em termos de slagging e fouling durante a combustão (Raask, 1985; Lopez et al., 2003; Vamvuka et al., 2004; Pronobis, 2005). A maioria dos índices tem em consideração os elementos identificados como percursores da formação de depósitos e são frequentemente baseados em rácios de composição dos vários elementos constituintes da cinza do combustível (Lopez et al., 2003).
A utilização de índices baseados na composição das cinzas para prever a ocorrência de slagging e fouling parece ser uma metodologia fácil e expedita. Seria também desejável que os índices desenvolvidos para o carvão fossem igualmente aplicáveis à biomassa. Porém, apesar de a sua utilização poder fornecer resultados realistas quando uma pequena fração de carvão é substituída por biomassa, à medida que a fração de biomassa aumenta, ou inclusivamente, quando apenas biomassa é utilizada como combustível, a previsão de problemas relacionados com as cinzas através destes índices pode revelar-se inadequada.
Doshi et al. (2009) afirmaram que a aplicação de índices desenvolvidos para o carvão às misturas de combustíveis, tal como no caso da co-combustão de biomassa e carvão, pode produzir resultados inexatos, na medida em que estes não consideram a interação entre o carvão e a biomassa. Alguns exemplos e respetivas limitações da aplicação de índices à biomassa, previamente estabelecidos para carvões, são apresentados seguidamente:
i.
A reatividade e diversidade dos elementos presentes na biomassa parece ser um fator relevante nos problemas relacionados com as cinzas e que não é considerada nos índices (Doshi et al., 2009). Os índices poderiam ser otimizados se considerassem a reatividade dos elementos presentes no combustível.ii.
Um dos índices utilizados com maior frequência para carvão baseia-se no rácio entre a percentagem dos óxidos básicos e ácidos, ⁄ , nas cinzas, de acordo com a equação 4.1 (Pronobis, 2005):
2 2 22 3
2 3 2 A B O Al TiO SiO O Na O K M gO CaO O Fe R Eq. 4.1Previsão da formação de depósitos e aglomeração de cinzas
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biomassa em leito fluidizado e co-combustão com carvão para minimizar a sua ocorrência
O ⁄ considera que os óxidos alcalinos, alcalinos-terrosos ou de ferro têm o mesmo papel na formação de compostos fundidos, i.e., assume que os óxidos básicos, B, decrescem a temperatura à qual ocorre a formação de compostos fundidos ou amolecidos, enquanto que os óxidos ácidos, A, essencialmente o SiO2 (uma vez que na biomassa o Ti e o Al são elementos minoritários),
aumentam a temperatura do ponto de fusão. Contudo, a análise do diagrama ternário CaO-SiO2-K2O, que irá ser abordado com mais pormenor no ponto 4.5, evidencia que a relação
entre estes três óxidos não é puramente matemática, na medida em que um aumento de CaO em relação ao K2O permite aumentar a formação de compostos com temperaturas de fusão mais
elevadas (Slag Atlas, 2005). Além disso, a reatividade do Si presente na cinza de biomassa pode influenciar significativamente a formação de compostos fundidos.
Niu et al. (2010) estudaram a fusibilidade de cinzas de biomassa, e constataram que o aumento do teor de K2O diminuía a TID, enquanto que o aumento de CaO, MgO, Fe2O3 e Al2O3 aumentava a
TID.
iii.
Foi proposto o índice ⁄ simplificado de acordo com a equação 4.2 (Pronobis, 2005):Contudo, é igualmente pouco provável que este índice seja adequado para a biomassa, porque não considera o K, que é um dos principais responsáveis pela ocorrência de depósitos ou aglomeração do leito.
No caso dos carvões, a tendência para a ocorrência de slagging através dos índices apresentados pelas equações 4.1 e 4.2 foi comparada com as temperaturas de fusibilidade das cinzas, tendo-se verificado que a correlação não era linear. Verificou-se que a tendência para slagging era mais elevada para valores de ⁄ próximos de 0,75 (temperatura de hemisfério abaixo dos 1200 °C), era inferior quando o valor de ⁄ aumentava entre 0,75 e 2, e diminuía quando os valores eram inferiores a 0,75 (para um valor de ⁄ = 0,15 a temperatura de hemisfério excedia os 1600 °C) (Raask, 1985; Pronobis, 2005).
2 2 3
3 2 ASimp B O Al SiO MgO CaO O Fe . R Eq. 4.2Previsão da formação de depósitos e aglomeração de cinzas
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iv.
A aplicação de índices baseados no teor de enxofre, RS , de acordo com a equação 4.3(Pronobis, 2005), pode originar previsões incoerentes para a biomassa, em parte devido ao seu baixo teor de S comparativamente com o carvão.
Para os carvões, a tendência para o slagging é baixa quando o RSé inferior a 0,6, é média quando o RSvaria entre 0,6 e 2, é elevada para valores de RS entre 2 e 2,6, e é extremamente
elevada para valores de RSsuperiores a 2,6.
No caso da biomassa, a utilização do teor de Cl poderia ser uma opção mais adequada, uma vez que em alguns tipos de biomassa o Cl está frequentemente presente em quantidades mais elevadas do que o S promovendo a vaporização dos elementos alcalinos, nomeadamente do K, que é um dos principais responsáveis pela formação de depósitos.
v.
O índice de fouling, Fu, que afeta o ⁄ , descrito anteriormente, pela fração mássica (%)dos óxidos de K e de Na no combustível, na base de cinzas, de acordo com a equação 4.4 (Pronobis, 2005), poderia ser mais adequado para a biomassa, na medida em que dá uma maior relevância aos elementos alcalinos, que estão habitualmente presentes em zonas onde ocorre o fouling. Contudo, tal como referido no ponto anterior, uma visão mais realista só seria possível se os teores de Cl e S fossem tidos em consideração nesta mesma equação.
Para carvões a tendência para o fouling é baixa quando o Fué inferior a 0,6, é média quando o Fu
varia entre 0,6 e 1,6, é elevada para valores de Fu entre 1,6 e 40, e é extremamente elevada,
sendo provável a sinterização dos compostos para valores de Fusuperiores a 40.
Além das limitações já referidas, a literatura aponta ainda algumas fragilidades de carácter geral, relacionadas com a utilização de índices teóricos para a previsão da formação de depósitos ou aglomeração do leito. A semelhança das cinzas produzidas em laboratório com as cinzas produzidas nas instalações de combustão é um aspeto que deve ser tido em consideração. A velocidade de aquecimento das cinzas produzidas em laboratório é diferente da que ocorre em cinzas produzidas numa caldeira. Além disso, as condições de operação do sistema de combustão,
d A B s
R
S
R
(Sd é a percentagem de S no combustível em base seca) Eq. 4.3
Na2O K2O
A B
u R
Previsão da formação de depósitos e aglomeração de cinzas
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biomassa em leito fluidizado e co-combustão com carvão para minimizar a sua ocorrência
a dimensão e o tipo de instalação fazem com que as partículas de cinzas com tamanhos e densidades diferentes sejam separadas, e ocorram fenómenos de enriquecimento das mesmas em diferentes locais da instalação, dando origem, por exemplo, às cinzas volantes e às cinzas de leito (Zevenhoven et al., 2003; Nutalapati et al., 2007).