GUILHERME CARDIM

INTRODUÇÃO

A história da fluidização teve seu início com a demonstração do processo de gaseificação  em leito fluidizado em 1921 por Fritz Winkler da Alemanha. Desde então, a tecnologia da fluidização tem sido utilizada de forma crescente nos mais diferentes processos envolvendo sólidos particulados. Dentre esses processos destaca-se a combustão, gaseificação, secagem, recobrimento de partículas, aquecimento e resfriamento de partículas, craqueamento do petróleo e diversas reações de síntese (BASU, 2006). Essa observação, juntamente com relatos de outros pesquisadores levou ao aparecimento e desenvolvimento do leito fluidizado borbulhante (LFB) ou bubbling fluidized bed (BFB) para combustão e gaseificação. O primeiro combustor LFB possuía 12m² de seção transversal muito maior que os padrões de combustores com leito borbulhante atuais.

O leito fluidizado circulante (LFC) ou circulating fluidized bed (CFB) teve seu início em 1938 quando Warren Lewis e Edwing Gilliland conceberam um novo processo gás-sólido no Massachusetts Intitute of Technology na tentativa de encontrarem processo apropriado para o craqueamento catalítico. Surgiu assim o leito fluidizado rápido ou fast fluidized bed (FFB).

A aplicação inicial do LFB ficou restrita inicialmente à indústrias petroquímicas no processo de craqueamento catalítico não atendendo ao campo da combustão e gaseificação. Porém Lurgi foi quem encontrou no LFB uma excelente técnica para operação de sólidos finos sujeitos a velocidades elevadas.

A primeira caldeira a operar com LFC, projetada especialmente para atender a uma planta de potência foi construído na Alemanha em 1982 com capacidade de total de 84 MW através da queima de carvão pulverizado na presença de calcário. 

ESTADO DA ARTE-CARACTERÍSTICAS DOS LEITOS FLUIDIZADOS

A notável característica dos sistemas de leito fluidizado reside em queimar pequenas quantidades de combustível com baixas emissões de NOx e além disso poder acrescentar na mistura de combustível o calcário para capturar o enxofre que é aplicada tanto em leito borbulhante quanto em leito fluidizado circulante. Para discutir essas circunstâncias nos quais o combustor LFC apresenta benefícios, é importante compreender as condições de operação aproximadas para cada tipo de combustor. Na tabela 1, estas condições estão listadas para cada tipo de leito e comparadas de acordo com os sistemas de combustão. Na tabela 2 foi feito um quadro comparativo das características de leitos fluidizados.

            Considerando o processo gás-sólido em um leito fluidizado circulante, as partículas sólidas entram na coluna principal ou riser, onde encontram um fluxo de ar ascendente que as transporta em direção ao ciclone. Nesse dispositivo as partículas são separadas da corrente de gás, retornando ao fundo do riser. Forma-se assim um ciclo, onde estas partículas ficam circulando até que atinjam, em função das reações químicas ou em função do atrito no interior do sistema, um diâmetro inferior ao diâmetro de corte do ciclone ou um diâmetro superior ao diâmetro da maior partícula arrastada pelo fluxo de gás no riser. Na primeira situação as partículas escapam do ciclone juntamente com o fluxo de gás e na segunda situação as partículas permanecem no fundo do reator, causando uma maior concentração de sólidos nesta seção do sistema, caso não haja uma retirada simultânea de material pelo fundo do reator. A Figura 1  mostra o esquema típico de um leito fluidizado circulante, com setas indicando os principais componentes do circuito.

Figura 1 Esquema típico de um sistema de leito fluidizado circulante (adaptado de  YANG, 2003)

As partículas podem circular pelo reator várias vezes enquanto que o fluido atravessa o riser apenas uma vez. A operação, a alta velocidade superficial do gás no riser (valores típicos de 2 a 12 m/s) e o alto fluxo de partículas (10 a 1000 kg/m²s) fazem com que não seja visualizada distinção de interface no riser entre leito denso e região superior diluída.

O termo leito fluidizado circulante foi também usado para sistemas bifásicos sólido-líquidos e trifásicos gás-sólido-líquido. Entretanto, predominantemente o interesse maior continua a ser o sistema bifásico gás-sólido (RAMÍREZ, 2007).

As variáveis para operação comercial de leitos fluidizados circulantes, incluindo leitos densos e diluídos, usualmente respeitam as seguintes faixas (YANG, 2003):

·        Velocidade superficial do gás: 2-12 m/s;

·        Fluxo líquido de sólido através do riser: 10-1000 kg/m²s;

·        Temperatura: 20-950 °C

·        Pressão: 100-2000 kPa;

·        Diâmetro médio da partícula: 50-500 mm;

·        Altura total do leito: 15-40 m.

Contribuições históricas de desenvolvimento de leitos fluidizados circulantes partiram de Reh (1986) e Squires (1994). Vantagens citadas deste tipo de leito em comparação com leitos borbulhantes e outro tipos de contato gás-sólido são:

·        Vazões de gás elevadas;

·        Tempo de residência das partículas longo e controlável;

·        Temperatura uniforme, sem picos;

·        Flexibilidade na operação com partículas de diferentes tamanhos, densidades e geometrias;

·        Contato efetivo entre gás e partículas;

·        Poder substancial de mistura das partículas sólidas;

Entre as desvantagens são citadas:

·        Necessidade de uma estrutura com comprimento elevado: pequenas escalas de leito são raramente viáveis;

·        Superfícies internas se desgastam em função do atrito;

·        Transferência de calor emulsão – parede menos favorável em relação a baixas velocidades de fluidização;

·        Gradientes laterais podem ser considerados;

·        Perda de partícula devido ao arraste.

A transferência de calor emulsão deixa de ser considerada uma desvantagem na medida em que pode ser compensada com o uso de uma superfície ou volume maior para troca de calor. Já a perda de partícula devido ao arraste depende da eficiência do ciclone em reter as partículas oriundas do riser e conduzi-las ao downcomer.

A diferença das faixas de operação de velocidade do ar de leitos borbulhantes e leitos circulantes reside no tipo de construção de sua base por onde o combustível sólido será injetado no sistema após completar um ciclo de volta. O leito borbulhante apresenta uma grande área plana por causa das baixas velocidades e com a presença de tubos para a troca de calor. O leito fluidizado circulante apresenta uma área bem menor, mas dotado de elevada altura para proporcionar um adequado tempo de residência e transferência de calor. Neste tipo de fornalha a transferência de calor ocorre pela superfície que se apresenta na forma vertical por intermédio de uma parede de água para minimizar a erosão.

            A teoria da hidrodinâmica de formação das bolhas e sua movimentação em um leito fluidizado de partículas foram estudados e propostos por Davidson (1963). Kunii e Levenspiel (1991) apresentam uma teoria mais detalhada a respeito da formação das bolhas além de proporem modelos de fluidização, chamada de terceira fase ou fase de “nuvem” (cloud). Essa teoria se baseia na velocidade comparativa entre bolha e gás de fluidização. Sendo a velocidade do gás maior que a da bolha, o gás circunda a bolha pela parte baixa e a deixa pelo topo da bolha. No caso contrário, o gás circunda a bolha pela parte alta e sai pela base da bolha, conforme as figuras 2 e 3.

Figura 2 Representação das três fases de um leito fluidizado.	Figura 3 Fluxo de gás ao redor da bolha segundo Kunii e Levenspiel (1991). A bolha é circundada pela nuvem de gás e na região de maior concentração de sólidos as partículas empurram a bolha para cima do leito.

1.1.    Leito Fluidizado Rápido

Em CFB, a fluidização rápida pode ser caracterizada por possuir elevada velocidade gás-sólido de suspensão onde as partículas, elutriadas ou arrastadas pelo gás fluidizante com velocidade acima da velocidade terminal da partícula individual são recuperados e voltam a base da fornalha a uma taxa suficientemente elevada, provocando assim um determinado grau de refluxo de sólidos que garantem um nível mínimo de uniformidade na temperatura da fornalha.

1.1.1.      Características de leitos rápidos

            O termo leito rápido ou fast bed foi introduzido por Yerushalmi et al. (1976), descrito como um regime de transição entre fluidização turbulenta e transporte pneumático. Em um típico leito fluidizado, observa-se a não uniformidade na suspensão de um pequeno aglomerado de partículas se movendo tanto no sentido ascendente como descendente de forma diluída sob ação ascendente contínua do fluxo de gás-sólido (figura 4

Figura 4 Leito fluidizado rápido com aglomerados sólidos que se movem para cima e para baixo em uma fase dispersa e diluída de partículas (adaptado de Basu, 2006).

            A elevada velocidade de escorregamento ou atrito entre o gás e os sólidos, formação e desaglomeração dos conjuntos de partículas e excelente mistura são características principais desse tipo de regime. A variação da densidade de suspensão axial e radial é outro fator físico característico do leito rápido. A formação de aglomerados sólidos não é uma condição adequada para o leito fluidizado rápido, mas um aspecto importante e necessário desse regime.

            No transporte pneumático, a descrição qualitativa do fenômeno de formação dos aglomerados sólidos está presente na figura 5.

Figura 5 Movimento ascendente de sólidos no gás com um pequeno rastro ou wake formado atrás de cada partícula. (b) A transição do transporte pneumático para fluidização rápida pode ocorrer quando a taxa de sólidos de recirculação é continuamente aumentada (adaptado de Basu, 2006).

1.1.2.      Transição para a fluidização rápida.

            No interior do duto de um combustor LFC com uma taxa de alimentação constante de sólidos e sobre a ação ascendente do gás de fluidização, tem-se inicialmente um transporte pneumático. Se a velocidade superficial do gás que atravessa a coluna diminuir (figura 1.8), sem alteração da taxa de alimentação de sólidos, a queda de pressão por unidade de altura da coluna tende a diminuir devido a redução do atrito com a parede (C-D). Entretanto, a suspensão dos sólidos aumenta com a diminuição da velocidade do gás. Desse modo, a queda de pressão na coluna é totalmente atribuída em função do arraste gás-sólido, mas podendo corresponder também ao atrito parede-gás e gás-sólido. Sobre condições de regime permanente o atrito gás-sólido é equivalente ao peso dos sólidos. Com o contínuo decrescimento da velocidade superficial (figura 6), o leito se torna denso e a diferença de pressão começa a aumentar (D-E). O ponto reverso (D) marca o início do leito rápido a partir do transporte pneumático.         

            Se a velocidade superficial diminuir novamente, a concentração de sólidos na coluna aumenta até um ponto onde ocorrerá a sua saturação e o gás será impedido de escoar. Os sólidos começam a se acumular, enchendo a coluna, causando um aumento rápido na pressão. Essa condição (E) é chamada de choking. Em colunas de diâmetro menor, o leito de partículas apresenta movimento pistonado, também chamado de slugging, ao passo que em leito de diâmetro maior o regime de fluidização se torna turbulento.

Figura 6 Representação esquemática dos diferentes regimes de fluxo gás-sólido através da coluna vertical (adaptado de Base, 2006).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Efeito do tamanho de partícula no perfil de densidade de suspensão

         A temperatura é reduzida devido ao incremento da transferência de calor ocasionado pela elevada densidade de suspensão de sólidos que ocupam o leito, consumindo menos energia do sistema. Quando as partículas são finas, há maior quantidade de inventário transportada para a região superior do riser, tornando-se essa região maior absorvedora de calor. Para maior tamanho de partícula, a região inferior do riser agora se torna maior consumidora de calor, diminuindo o coeficiente de troca de calor da região superior. A tabela 3 mostra o grau de efeito de variáveis para um leito fluidizado.

Tabela 3 Respostas das variáveis dependentes de acordo a mudança dos parâmetros de operação (adaptado de Basu, 2006)

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Em um combustor de leito fluidizado é necessário algum tipo de material inerte, como por exemplo, cinza e areia. O combustível sólido o qual, dependendo de sua reatividade, representa entre 0,5 a 5% do total de material do leito é queimado pelo material inerte que o circunda. As partículas de combustível sólidas são submetidas a elevadas taxas de transferência de calor e massa e resultando em temperaturas baixas de combustão quando comparadas a temperaturas de pico de outros sistemas de combustão, enquanto que taxas elevadas de mistura de partículas minimizam o gradiente de temperatura no interior do leito. As temperaturas de combustão variam de acordo com o tipo de combustível que está sendo queimado, mas são tipicamente entre 750ºC a 900ºC. A reatividade da combustão aumenta com o incremento da temperatura e possui valor ótimo entre 800 e 850°C, segundo Basu (2006). A diferença de temperatura total entre o ponto mais frio e mais quente do leito está em torno de 30ºC. Na utilização de carvão pulverizado podem ser exibidos picos de temperatura de chama da ordem de 1500ºC e apresentar um crescimento de temperatura do gás de aproximadamente 1150ºC. Existem também locais de elevadas temperaturas onde ar é introduzido de forma secundária. Sistemas que utilizam combustíveis pulverizados tendem a apresentar um gradiente maior de temperatura quando comparado com sistemas fluidizados de combustão e particularmente leito fluidizado circulante apresenta temperaturas mais próximas de isotermas e baixo valor na região de combustão. Baixas temperaturas juntamente com alta capacidade calorífica e boa mistura no interior do leito permitem a combustão de pequena quantidade de combustível com baixas emissões de NOx e baixo custo de captura de enxofre. A captação desse elemento aumenta rapidamente com o aumento da temperatura média do leito, devido à decomposição do sulfato de cálcio (CaSO₄). A figura abaixo mostra o efeito da temperatura na demanda relativa de adsorvente para um dado nível de captura de enxofre. A demanda por adsorvente decresce entre 700 a 850ºC, voltando a crescer acima de 850ºC, apresentando um rápido crescimento acima de 900ºC (Basu, 2006).

RESUMO:

            Esta trabalho de cunho científico apresenta fundamentos da combustão de biomassa em leito fluidizado circulante, suas principais características, além de aspectos fluidodinâmicos do regime de fluidização rápida. Foi realizado o levantamento bibliográfico de artigos relacionados à combustão e emissão de óxidos de visando o embasamento teórico sobre esses assuntos assim como a futura comparação dos resultados obtidos neste relatório, analisando os tipos de rotas tecnológicas que justificam sua viabilidade técnica, econômica e ambiental.

Palavras-chave: Energia; Leito Fluidizado Circulante; Combustão de Biomassa.

REFERÊNCIAS

ü      ALSTOM. Circulating Fluid Bed (CFB) Boiler Technology. Disponível em: <link>. Acesso em: 11 maio 2011.

ü      CARVÃO Mineral. In: WIKIPÉDIA: Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Carv%C3%A3o_mineral>. Acesso em: 11 maio 2011.

ü      COPELMI. Principais produtos. Disponível em: <http://www.copelmi.com.br/produtos.htm> 11 maio 2011.

ü      CRIEPI News 396. 1-6-1 Ohtemachi, Chiyoda-ku, Tokyo 100-8126 JAPAN: Central Research  Institute of Eletric Power Industry. March, 2004. Disponível em: <http://criepi.denken.or.jp/en/e_publication/pdf/den396.pdf>. Acesso em: 10 maio 2011.

ü      FLUIDIZED Bed Combustion. In: WIKIPÉDIA: Disponível em: <http://en.wikipedia.org/wiki/Fluidized_bed_combustion>.

ü      FOSTER Wheeler. Utility Circulating Fluidized Boilers. Disponível em: <link>. Acesso em: 11 maio 2011.

ü      GELDART, D. Gas Fluidization Technology. John Wiley & Sons. United Kingdon, 1986.

ü      GRACE, J. R., AVIDAN, A.A., KNOWLTON, T. M. Circulating Fluidized Beds. Blackie academic & Professional. London. First Edition. Chapman & Hall, 1997.

ü      HORY, Rogério Ishikawa. Avaliação das Emissões de SO₂ em Leito Fluidizado Circulante na Combustão de Carvão Mineral Brasileiro e Dolomita. 2007, 134 p. Monografia (Especialização em Combustão, Térmica e Fluidos) – Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2007.

ü      HOWARD, J. R. Fluidized Bed Technology.  Adam Higler, Bristol, United Kingdom, 1989.

ü      KAVIDAS, S., ALEXANDER, K .C., BELIN, F., JAMES, D. E. Operating Experience with High-Ash Waste Coal in a B&W CFB Boiler. Apresentado para  Power-Gen Asia, Hong Kong, agosto, 1994.

ü      KNOLWTON. T. M, AQUINO, M. R. Y. A comparison of several lift-line feeders. Paper apresentado no Second Congress of Chemical Engineering, Montreal, Canada, 1981.

ü      KUNII, D., LEVENSPIEL, O. Fluidization Engineering. 2a. Edição, Butterworth – Heinemann, Stoneham, MA, 1991.

ü      LANAUZE, R. D. Fundamentals of coal combustion. In Fluidization, Academic Press, 1985, New York, pp. 631-674

ü      LUCAT, P., MORIN, J. X., SEMEDARD, J. C, JAUD, P., JOOS, E., MASNIERE, P. Utility type CFB Boilers: 250 MWe and beyond. In Proceedings of the 12^th International Conference on Fluidized Bed Combustion, Volume 1, ASME, 1993, New York, pp. 9-15.

ü      THE BACOCK & WILCOX COMPANY. Internal Recirculation Circulating Fluidized-Bed Boilers. A Simplified Approach to Flexibility and Reliability. The Bacock & Wilcox Company. 2006. Disponível em: <http://www.babcock.com/library/pdf/E1013148.pdf>. Acesso em: 03 maio 2008.

ü      RAMIREZ, John J. B. Estudo das emissões de mercúrio na combustão de carvão mineral brasileiro em leito fluidizado rápido. 2007, 245f. Monografia (Especialização em  Combustão, Térmica e Fluidos) – Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2007.