Biomassa, assim como petróleo, é um hidrocarboneto, mas, diferentemente dos combustíveis fósseis, ela possui átomos de oxigênio na sua composição química. A presença desse átomo de oxigênio faz com que a biomassa requeira menos oxigênio do ar e, consequentemente seja menos poluente, porém também reduz a quantidade de energia a ser liberada, reduzindo o seu PCS.
O processo de combustão da biomassa sólida em caldeira, consiste em quatro fases distintas, mas que podem acontecer simultaneamente em diferentes regiões da biomassa em reação.
Aquecimento e Secagem: É o processo de retirada da umidade contida no combustível sólido pela adição de calor, que provoca a evaporação da água.
Pirólise: Após a secagem do combustível sólido, se sua temperatura for elevada a níveis adequados, acontecerá a liberação dos gases inflamáveis contidos no sólido. Esta fase também é denominada de volatilização. Os gases liberados nesta fase, quando misturados com o oxigênio do ar em proporções adequadas, tornam-se uma mistura inflamável
Combustão: Nesta fase, os gases formados no processo de pirólise reagem com o oxigênio numa reação exotérmica, tendo como produtos CO2 + H2O + Calor (produtos hipotéticos para uma reação ideal estequiométrica). O fogo normalmente é visível nesta fase.
Pós-Combustão: Ao final da pirólise, a biomassa tornou-se uma massa sólida composta de carvão e cinza. As partículas de menores dimensões são arrastadas pelos gases e saem pela chaminé com a denominação de particulados. Uma fração do carbono e cinzas consegue gasificar e entra no escoamento na forma de CO, CH4 e H2 e outros gases. O restante do carvão e das cinzas é removido da câmara de combustão na forma de resíduos.
O processo de combustão, portanto, libera calor e tem como produto final gases e sólidos inertes como CO2, H2O e cinzas. O calor liberado é então utilizado para a geração de vapor na caldeira de biomassa que, na indústria de celulose e papel, opera em pressões que variam desde 30 bar nas mais antigas até 105 bar nas mais modernas, com produção de vapor desde 30 t/h até 300 t/h ou mais, que,num processo de cogeração, são suficientes para suprir a turbo geradores para produção de energia elétrica e vapor de baixa pressão para o processo em conjunto com a caldeira de recuperação. Normalmente, na indústria de celulose e papel, ocorre a utilização de dois tipos de caldeiras de biomassa, a de combustão com grelha móvel e a de leito fluidizado, esta última podendo ser de leito borbulhante ou de leito circulante, que possuem maior eficiência de combustão e comumente utilizadas para maiores capacidades de produção (> 100 t/h) e com flexibilidade para queimar biomassa com umidade de até 60% sem grandes variações de carga.
Ao passar um gás através de um leito de material particulado, observa-se somente uma elevação de pressão na grelha. Ao elevar-se continuamente a vazão do gás (velocidade do gás – Vg), obter-se-á uma elevação também contínua da pressão até atingir uma velocidade, denominada velocidade de mínima fluidização (Umf), na qual a força peso das partículas se iguala à força de arraste do gás. Neste ponto, as partículas começam a se descolar uma das outras e ficam suspensas, passando a se comportar como um líquido.
Incrementos adicionais de velocidade provocam o surgimento de bolhas de gás no interior da suspensão, criando duas fases. Uma constituída somente de gás, na forma de bolhas, e outra, denominada emulsão, composta de gás e material particulado fluidizado. As bolhas, ao subirem, aumentam de tamanho, por redução de pressão e coalescimento com outras bolhas, arrastando grande quantidade de material particulado na sua subida. São elas as responsáveis pela grande taxa de circulação de sólidos no leito. A elevação continuada da vazão, nesta condição, provoca somente o aumento do número e do tamanho das bolhas, sem elevar a pressão na base da grelha. Quando a velocidade do gás atinge a velocidade terminal das partículas (Ut), começa a haver um arraste do material mais fino,diminuindo a altura do leito e a pressão na sua base. No caso dessas partículas arrastadas serem coletadas em um ciclone (ou outro dispositivo semelhante) e serem retornadas ao leito, têm-se um leito fluidizado circulante. Quando não há esse retorno, tem-se um leito de arraste.
Combustão de biomassa em leito fluidizado tem sido largamente utilizado devido à sua característica de poder operar com combustível com umidade elevada(até 65% de umidade). Para formar a base de suporte de um leito fluidizado,normalmente se utiliza areia, que representa um grande reservatório térmico capaz de atenuar grandes variações de umidade, por períodos relativamente longos, no combustível alimentado, ao contrário de caldeiras de grelha.
Turbo Geradores
As pressões de operação de turbinas a vapor, nos últimos 40 anos, têm sido elevadas consideravelmente, de 30 kgf/cm2 na década de 70 para 120 kgf/cm2 nesta década, aumentando cerca de 30% o ganho energético obtido na geração de energia elétrica:
O ganho energético obtido com o aumento de pressão e temperatura do vapor também é expresso no consumo específico de vapor (t.vapor/MW) para a geração de energia elétrica.
Quanto às características construtivas de turbinas a vapor, pode-se classificá-las em turbinas de ação ou turbinas de reação.
Nas turbinas de ação, as palhetas fixas e bocais, com incidência de vapor em alta velocidade, convertem a energia térmica em energia cinética (transformação da variação de entalpia em energia cinética) e redirecionam o fluxo de vapor para as palhetas móveis, onde o vapor atravessa à pressão constante, atuando sobre elas em razão da sua velocidade, convertendo a energia cinética em trabalho.
Nas turbinas de reação, as palhetas fixas, com incidência de vapor em alta velocidade, convertem parte da energia térmica em energia cinética (transformação de parte da variação de entalpia em energia cinética) e redirecionam o fluxo de vapor para as palhetas móveis, onde o vapor atravessa com redução de pressão, atuando sobre elas, convertendo o restante da energia térmica e a energia cinética em trabalho. Portanto, utilizam a pressão de vapor e a sua expansão nas rodas móveis e o vapor se expande nas palhetas fixas e móveis:
Na indústria de celulose e papel, em função do alto consumo de vapor no processo da linha de fibras e evaporação, secadora de celulose e máquina de papel,é usual a utilização de turbinas de contrapressão, com extração de vapor a 12kgf/cm2 para aquecimento da polpa de celulose no digestor, deslignificação com O 2,branqueamento, e outros locais onde a pressão do local de aquecimento é da ordem de 6 kgf a 11 kgf/cm2 e vapor de contrapressão a 4,5 kgf/cm 2 para uso no digestor,evaporação do licor preto, branqueamento, secadora de celulose, máquina de papel,utilidades e outros locais onde a pressão é da ordem de 1 kgf a 3,5 kgf/cm2. Na linha de fibras, a maioria do aquecimento é realizada em contato direto, enquanto na evaporação, máquina secadora e máquina de papel, o aquecimento é indireto,possibilitando a reutilização do condensado gerado nas caldeiras para geração de vapor, ou seja, o reaproveitamento da água desmineralizada e a temperatura nele contida.
A geração de energia elétrica é função do consumo de vapor de média pressão a 12 kgf/cm2 e de vapor de baixa pressão a 4,5 kg/cm 2, tendo-se que substituir o consumo de vapor de média pressão por baixa pressão implica em aumentar a geração de energia elétrica.
A turbina com eixo de rotação de 8.000 rpm é conectada a um redutor e este conectado ao eixo do rotor do gerador elétrico com rotação de 1.800 rpm. Desta forma, o trabalho ou a energia mecânica é utilizado para fazer girar o rotor do gerador, o qual induz uma tensão nos terminais dos enrolamentos que, ao serem conectados a cargas, levam a circulação de correntes elétricas pelos enrolamentos e pela carga. A Figura 11 ilustra o conjunto de turbina, redutor e gerador ou turbogerador,comumente utilizado na indústria de celulose e papel:
Autor
Francisco de Assis Bertini Moraes |
