Inflamação e gaseificação de partículas de pinho e de cortiça

Abstract

O objectivo do presente trabalho é o estudo da inflamação e gaseificação de partículas de pinho e de cortiça de pequena granulometria. Na primeira das instalações experimentais utilizadas, as partículas combustíveis foram injectadas verticalmente contra um disco aquecido electronicamente, colocado em posição horizontal, criando uma figura de erosão que permitia a determinação das temperaturas de auto-inflamação das partículas, em função do seu diâmetro. Os resultados obtidos mostram que as temperaturas de auto-inflamação aumentam com a diminuição do diâmetro da partícula, sendo sempre superiores no caso da cortiça. Determinamos em seguida a temperatura de inflamação e a velocidade de perda de massa de finas camadas de partículas, de ambos os lenhosos, também em função do seu diâmetro. Este estudo foi executado com um sistema termogravimétrico constituído por uma balança eléctrica no prato da qual se provocava a inflamação e a combustão dos lenhosos. Os resultados obtidos, de acordo com as temperaturas de auto-inflamação obtidas com o sistema anterior, são respectivamente superiores e inferiores aos da partícula isolada de pinho e de cortiça para as granulometrias estudadas. Estes resultados experimentais foram correlacionados com os obtidos pela aplicação de três modelos teóricos de inflamação de partículas de carvão, tendo sido verificado que as temperaturas de auto-inflamação calculadas eram sempre superiores às medidas. A aplicação destes modelos veio demonstrar que a madeira tem um comportamento diferente do carvão, nomeadamente uma maior reactividade média dos seus componentes e uma maior difusão de espécies químicas de e para a partícula. Os valores medidos de perda de massa permitiram a determinação da energia de activação da reacção e das correspondentes constantes globais de Arrhenius. Os valores médios destes parâmetros enquadram-se nos indicados na bibliografia e caracterizam com bastante rigor as condições experimentais existentes, o que parece comprovar a aplicabilidade destas formulações ao projecto de novos equipamentos. Os valores medidos de perda de massa e das correspondentes temperaturas de auto-inflamação permitiram, não só o cálculo das constantes de Arrhenius da reacção particular, como também da velocidade de redução de raio das partículas. A análise da sua evolução permitiu verificar que ambos os materiais apresentam valores crescentes destes parâmetros com a diminuição do diâmetro da partícula. Estudamos seguidamente a gaseificação de partículas em leito móvel e em suspensão, tendo sido analisada a influência da granulometria, da temperatura e do tempo de permanência no interior do reactor, nos níveis de perda de massa e na composição dos produtos da sua decomposição. Foram projectadas e construídas duas montagens experimentais originais, sendo a primeira constituída por um reactor tubular aquecido eléctricamente. A gaseificação do material lenhoso ocorria ao longo do seu trajecto no interior do reactor, por arrastamento pelo ar de transporte. Os resultados obtidos com este sistema demonstraram que a perda de massa dos combustíveis aumentava com a diminuição do diâmetro das partículas. Verificamos ainda que as regressões polinomiais do índice de perda de massa, após uma fase inicial crescente com a riqueza da mistura, apresentavam um máximo seguido de uma diminuição progressiva, sendo os máximos respectivamente de 0.55 e 0.6 para o pinho e para a cortiça. O estudo prosseguiu com a segunda instalação, na qual o material lenhoso era transportado e injectado no interior de um reactor ciclónico, aquecido na zona de admissão por uma pequena chama propano/ar. Os resultados obtidos, em função da riqueza de mistura e dos tempos de permanência, vieram complementar os obtidos anteriormente. Verificamos que a perda de massa do material aumentava com a diminuição do diâmetro das partículas e com a riqueza global das misturas sendo sempre, para uma mesma riqueza, superior no caso do pinho. Velocidade crescente de aquecimento das partículas combustíveis e uma maior temperatura final originavam igualmente maiores níveis de perda de massa dos lenhosos. A correlação dos resultados experimentais com os teóricos foi feita considerando que a gaseificação decorria em condições isotérmicas ou não-isotérmicas, através da aplicação sucessiva dos modelos de reacção global e de reacções múltiplas, desenvolvidos para partículas de carvão. Os índices de gaseificação obtidos com o reactor ciclónico estão, para ambos os lenhosos, considerando a reacção como isotérmica, aproximadamente enquadrados pelos previstos pelos modelos teóricos adoptados, que prevêm o aumento dos índices de gaseificação do material com o aumento da temperatura de reacção. Os índices de gaseificação previstos com o modelo da reacção global são os que melhor se adaptam a uma análise não-isotérmica do processo de gaseificação, consequência previsível das baixas velocidades de aquecimento verificadas no troço intermédio do reactor. Os índices de gaseificação medidos são sempre superiores no caso do pinho e aumentam também com o tempo de permanência no reactor. A análise microscópica das partículas recolhidas permitiu o estabelecimento de três intervalos de velocidade de aquecimento dT/dt, consoante o nível de gaseificação atingido. Esta análise permitiu ainda verificar a existência da explosão estrutural das partículas lenhosas, quando submetidas a altas velocidades de aquecimento.