Controlo de emissões gasosas poluentes resultantes da conbustão de carvão em leito fluidizado

Doutoramento: em Ciências Aplicadas ao AmbienteA existência dum elevado conjunto de informação sobre combustão de carvão em leito fluidizado em reactores laboratoriais, exige a sua verificação em condições reais de combustão, nomeadamente em instalações à escala piloto e industrial. No entanto, este tipo de ensaios é escasso, não só pelo reduzido número de instalações existentes, mas também pela dificuldade em proceder a variações nas suas condições operatórias. Neste contexto, procedeu-se à construção duma instalação à escala piloto no Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro, e cujas potencialidades se apresentam neste trabalho. A infra-estrutura experimental tem por base um reactor de leito fluidizado borbulhante à escala piloto, projectado para a realização de estudos de combustão envolvendo uma potência nominal de 20 kW térmicos, e um sistema automático de controlo e amostragem gasosa. A câmara de combustão apresenta 0.24 m de diâmetro interno e 2.2 m de altura útil, e inclui um leito com 0.35 m de altura, constituído essencialmente por areia (partículas na gama 500-710 µm) e uma pequena quantidade de cinzas e calcário calcinado e sulfatado, no caso de adição de calcário. O leito fluidizado piloto permite efectuar a combustão de carvão em estado estacionário sob diferentes condições de temperatura, excesso de ar, adição do ar por estágios e com adição de agentes de dessulfurização. Foi estudada a combustão dum carvão betuminoso e duma antracite no reactor piloto de leito fluidizado borbulhante, com e sem adição de calcário. Os ensaios foram realizados em estado estacionário utilizando 10, 25 e 50 % de excesso de ar, e temperaturas do leito na gama 750-900 ºC. O ar de combustão foi repartido em dois estágios e a três níveis, onde o ar primário representava 100, 80 e 60% do ar total. Foram medidas concentrações de O 2 , CO 2, CO, NO, N 2O, SO 2 e temperatura, no leito e ao longo do freeboard . A análise dos resultados experimentais para os dois tipos de carvão mostra que com o aumento da temperatura a emissão de NO aumenta e a de N 2 O diminui. O reforço do estagiamento reduz a emissão de NO e N 2O, mas afecta de forma adversa a emissão de CO. O aumento do excesso de ar resulta num aumento da eficiência de combustão, mas agrava a emissão de NO e N 2O. A adição de calcário reduz a emissão de N 2O, embora o efeito só se verifique na presença de condições oxidantes no primeiro estágio. Também para o NO o efeito da presença de calcário é condicionado pela estequiometria do primeiro estágio; para condições oxidantes a emissão de NO é superior na presença de calcário, enquanto que para condições redutoras poderá inclusivamente ser inferior à observada na ausência de calcário. A emissão de óxidos de azoto (NO, N 2O) durante a combustão do carvão betuminoso é superior à observada para a antracite. Porém, quando referida à unidade de massa de azoto alimentado no combustível, a emissão de óxidos de azoto é inferior para o carvão betuminoso. No que respeita ao SO2, a adição de calcário permite obter remoções na gama 25-90%, embora bastante dependentes das condições operatórias, em especial da temperatura e estequiometria do primeiro estágio. De entre os efeitos analisados, o mais significativo revelou ser o da repartição do ar de combustão; um aumento na repartição do ar reduz substancialmente a eficiência de captura do enxofre. Relativamente ao efeito da temperatura verificaram-se diferentes comportamentos. Na gama 750-825 ºC a tendência é para um aumento na remoção do SO2 com o aumento da temperatura, embora seja possível observar também o inverso, apesar de nestes casos os valores de remoção serem próximos. Na gama 825-900 ºC ocorre uma diminuição na captura do SO2 com o aumento da temperatura. Foi ainda desenvolvido um modelo de combustão em leito fluidizado, a partir duma versão do modelo de Rajan & Wen (1980), em que se analisaram vários aspectos relacionados com a combustão de carvão, embora só para combustão num estágio. Genericamente, as tendências previstas pelo modelo são qualitativamente coerentes com os resultados experimentais. Contudo, no caso do NO e contrariamente ao observado quer experimentalmente quer referido na literatura, as previsões do modelo apontam para um efeito do aumento da temperatura na emissão de NO oposto e muito mais marcado do que o que realmente ocorre. As simulações efectuadas permitem concluir que no leito o balanço das reacções de formação/destruição dos óxidos de azoto pela via heterogénea predomina sobre a via homogénea; no freeboard o processo é dominado pela via homogénea.The existence of an enormous quantity of information about combustion of coal in fluidized beds in laboratorial reactors, demands their verification during combustion in real conditions, respectively in pilot and industrial facilities. However, this kind of information is scarce, not only due to the low number of existing facilities, but also as a result of the difficulty in introducing variations in their operational conditions. In this context, a pilot scale facility was designed and built in the Department of Environment and Planing of the University of Aveiro, and its potentialities are presented here. The experimental installation consists of a pilot scale bubbling fluidized bed reactor projected for combustion tests involving a nominal power of 20 thermal kW, and an automatic command and control system for reactor operation and gas sampling. The furnace section has an internal diameter of 0.24 m and an overall height of 2.2 m, and includes a bed with about 0.35 m height, composed mostly of sand with particle diameter in the range 500-710 µm, with a small amount of coal ash, and calcinated and sulfated limestone, in the case of limestone addition. The functionality of the installation comprises the steady state combustion of coal with continuous addition of coal and additives, at different temperatures and excess air ratios, and also air staging, with and without addition of sulfur dioxide adsorbents. The combustion of two coals (bituminous and anthracite) was studied in the pilot scale fluidized bed operating in bubbling regime, with and without limestone addition. The experiments were conducted in steady state conditions using 10, 25 and 50% excess air levels, and bed temperatures in the range 750-900ºC. The combustion air was divided in two stages and at three levels, were the primary air was 100, 80 and 60% of the total air. The gas composition in terms of O 2, CO 2, CO, NO, N 2O, SO 2 and temperature, were measured in the bed and along the freeboard . The analyses of results for the two coals tested revealed that an increase in the temperature increases NO emission and decreases N 2O. The increase in the degree of air staging reduces the emission of both NO and N 2O, but adversely affects the emission of CO. The increase in excess air promotes an increase in the combustion efficiency, but adversely affects the NO and N 2O emission. Limestone addition reduces N 2O emission, although the effect is only verified in the presence of first stage oxidant conditions. Also for NO, the effect of limestone presence is conditioned by the first stage stoichiometry; first stage oxidant conditions gives higher NO emissions in the presence of limestone, while during first stage reducing conditions the NO emission can inclusively be lower than the one observed in the absence of limestone. The emission of nitrogen oxides (NO, N 2O) during bituminous coal combustion is higher when compared with the anthracite. However, when corrected for the nitrogen content in the fuel added to the reactor, the emission of nitrogen oxides tends to be lower in the case of bituminous coal combustion, in comparison with the anthracite. In relation to SO2, limestone addition leads to sulfur retention in the range 25- 90%, although very dependent on operational conditions, in special temperature and first stage stoichiometry. Among the analyzed effects, the most significant was the air staging; an increase in air staging substantially reduces sulfur capture efficiency. In relation to the temperature effect, different behaviors have been detected. In the range 750-825 ºC although a tendency for an increase in the SO2 retention with an increase in temperature is observed, the reverse it was also possible; however, in this case the retention values are very close. In the range 825-900 ºC a decrease in sulfur capture with an increase in the temperature was observed. A fluidized bed combustion model was also developed, based on the initial version of Rajan & Wen (1980) model, for which several aspects related with combustion of coal in fluidized beds were analyzed, although just for combustion with air addition in one stage. In general, the trends provided by the model are in qualitative agreement with the experimental results obtained. However, in the case of NO emission and in contradiction with the experimental observations and the results often referred in the literature, the predictions revealed an effect of the temperature increase opposed and much more pronounced than the one that really occurs. The simulations revealed that in the bed the balance between the nitrogen oxides formation/destruction mechanisms by heterogeneous path prevails over the homogeneous path; in the freeboard the process is governed by the homogeneous path

DIAGNÓSTICO AMBIENTAL DE UMA CARVOARIA: UM ESTUDO DE CASO: ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF A CHARCOAL PLANT: A CASE STUDY

The production of charcoal is a traditional activity carried out on small rural properties in several cities in the state. The activity has economic and cultural importance because, in addition to being an important source of income for several families, it also represents a traditional heritage, as the transfer of knowledge is intergenerational. However, the increase in demand for charcoal due to urban expansion, associated with the technological deficiency of production methods, has been causing health problems in the surrounding communities. Each beehive furnace generates an average of 600 kg of pyrolysis vapours per day, which are released into the atmosphere. Empirical efforts to reduce negative impacts, such as the combination of burners in ovens, have shown limited results. This paper presents a case study carried out in a charcoal plant in the city of Ivoti, in the State of Rio Grande do Sul. The objective was to identify the most significant environmental aspects of the activity on the property, propose alternative technologies and structure an action plan to reduce the impacts of charcoal production. A produção de carvão vegetal é uma atividade tradicional realizada em pequenas propriedades rurais em muitas áreas do estado. É uma atividade tradicional, pois o conhecimento é intergeracional. Além disso, é uma fonte significativa de renda para várias famílias. No entanto, como a produção aumentou junto com a expansão urbana e os métodos de produção mantiveram-se rudimentares, estão causando tensões e problemas de saúde. Como exemplo, os fornos tradicionais geram em média 600 kg de vapores de pirólise por dia, o que dificulta a remoção dos vapores com uma filtragem simples. Foram feitos esforços empíricos para reduzir os impactos negativos, como a combinação de queimadores nos fornos, embora com resultados limitados. Portanto, a compreensão científica do processo é necessária para que as ações projetadas sejam executadas. Este trabalho procura contribuir para a identificação dos aspectos ambientais mais significativos e permite a estruturação de um plano de ação para reduzir os impactos da produção de carvão vegetal. O trabalho exposto é um estudo de caso realizado em uma carvoaria na cidade de Ivoti, no Estado do Rio Grande do Sul.

DIAGNÓSTICO AMBIENTAL DE UMA CARVOARIA: UM ESTUDO DE CASO: ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF A CHARCOAL PLANT: A CASE STUDY

The production of charcoal is a traditional activity carried out on small rural properties in several cities in the state. The activity has economic and cultural importance because, in addition to being an important source of income for several families, it also represents a traditional heritage, as the transfer of knowledge is intergenerational. However, the increase in demand for charcoal due to urban expansion, associated with the technological deficiency of production methods, has been causing health problems in the surrounding communities. Each beehive furnace generates an average of 600 kg of pyrolysis vapours per day, which are released into the atmosphere. Empirical efforts to reduce negative impacts, such as the combination of burners in ovens, have shown limited results. This paper presents a case study carried out in a charcoal plant in the city of Ivoti, in the State of Rio Grande do Sul. The objective was to identify the most significant environmental aspects of the activity on the property, propose alternative technologies and structure an action plan to reduce the impacts of charcoal production. A produção de carvão vegetal é uma atividade tradicional realizada em pequenas propriedades rurais em muitas áreas do estado. É uma atividade tradicional, pois o conhecimento é intergeracional. Além disso, é uma fonte significativa de renda para várias famílias. No entanto, como a produção aumentou junto com a expansão urbana e os métodos de produção mantiveram-se rudimentares, estão causando tensões e problemas de saúde. Como exemplo, os fornos tradicionais geram em média 600 kg de vapores de pirólise por dia, o que dificulta a remoção dos vapores com uma filtragem simples. Foram feitos esforços empíricos para reduzir os impactos negativos, como a combinação de queimadores nos fornos, embora com resultados limitados. Portanto, a compreensão científica do processo é necessária para que as ações projetadas sejam executadas. Este trabalho procura contribuir para a identificação dos aspectos ambientais mais significativos e permite a estruturação de um plano de ação para reduzir os impactos da produção de carvão vegetal. O trabalho exposto é um estudo de caso realizado em uma carvoaria na cidade de Ivoti, no Estado do Rio Grande do Sul.

Simulation of biomass gasification in bubbling fluidized bed reactor using aspen plus

The direct (with air) gasification process of biomass in bubbling fluidized bed reactor was simulated using Aspen Plus®. The reactor was divided in three parts: the pyrolysis zone, combustion zone and reduction zone. The pyrolysis process simulation was supported by an external MS-Excel® subroutine to define the yield and composition of the main components, namely, char, gas and tar. Whereas the combustion and reduction processes were simulated using a kinetic model. These models were calibrated and thereafter validated with a set of distinct results from gasification of four different types of biomass using a pilot-scale bubbling fluidized bed reactor, with different equivalence ratio (from 0.17 to 0.35) and temperature (from 709 °C to 859 °C). The results obtained from the simulation, namely the concentration of CO, CO2, H2, CH4, C2H4 in the producer gas, were in good agreement with the experimental ones for a set of biomass types and operating conditions. Amongst the gases analysed, H2 gas was predicted with the lowest accuracy, always being overestimated; despite that, the highest absolute error obtained for H2 was only 4.4%. Finally, the tar concentration predicted was between 20 and 42 g/Nm3 and it decreased with the increase of equivalence ratio, temperature and biomass particle size.Se simuló el proceso de gasificación directa (con aire) de biomasa en un reactor de lecho fluidizado burbujeante utilizando Aspen Plus®. El reactor se dividió en tres partes: la zona de pirólisis, la zona de combustión y la zona de reducción. La simulación del proceso de pirólisis estuvo respaldada por una subrutina externa de MS-Excel® para definir el rendimiento y la composición de los componentes principales, a saber, carbón, gas y alquitrán. Mientras que los procesos de combustión y reducción se simularon utilizando un modelo cinético. Estos modelos fueron calibrados y posteriormente validados con un conjunto de resultados distintos de la gasificación de cuatro tipos diferentes de biomasa utilizando un reactor de lecho fluidizado burbujeante a escala piloto, con diferente relación de equivalencia (de 0,17 a 0,35) y temperatura (de 709 °C a 859 °C). ºC). Los resultados obtenidos de la simulación, a saber, la concentración de CO, CO 2, H 2 , CH 4, C 2 H 4 en el gas productor, estuvieron en buen acuerdo con los experimentales para un conjunto de tipos de biomasa y condiciones de operación. Entre los gases analizados, el gas H 2 fue el que predijo con menor precisión, siempre sobrestimado; a pesar de eso, el error absoluto más alto obtenido para H 2 fue solo 4.4%. Finalmente, la concentración de alquitrán prevista estaba entre 20 y 42 g/Nm 3 y disminuyó con el aumento de la relación de equivalencia, la temperatura y el tamaño de partícula de la biomasa

RESUMO DE TESE: VALORISATION OF AGRICULTURAL WASTE THROUGH PYROLYSIS IN THE PRODUCTION OF BIOCHAR

Biochar é o material carbonáceo, produzido a partir de biomassa de origem biogênica, por meio de pirólise, e que tem como características sua produção ambientalmente sustentável, qualidade e usos inovadores. Os agrorresíduos constituem uma fonte importante de biomassa vegetal; e a pirólise vem sendo reconhecida como uma tecnologia eficiente de conversão desta tipologia de resíduos na obtenção de produtos de maior valor. Este trabalho investigou a influência das condições de operação da pirólise nas características dos produtos. Três tipos de agrorresíduos obtidos em agroindústrias (bagaço de cana-de-açúcar-BCA, casca de arroz-CA e casca de coco verde-CCV) foram pirolisados num reator horizontal, em escala de bancada, do tipo leito fixo e com aquecimento elétrico. As condições de operação foram: temperaturas de pirólise (350, 450 e 550 °C), taxas de aquecimento (2, 10 e 30 °C.min-1), 30 min de tempo de imersão na temperatura de pirólise e, vazão de 250 cm3.min-1 de N2 como gás de arraste. As amostras de biomassa e os produtos da pirólise foram avaliados por meio da análise gravimétrica, bem como análises térmicas, químicas e físicas. Os resultados mostraram que, em geral, a temperatura de pirólise foi o parâmetro que teve maior influência sobre o rendimento dos produtos. Quando a temperatura de pirólise foi aumentada de 350 para 550 °C, na taxa de aquecimento de 10 °C.min-1, o rendimento do biochar do BCA diminuiu de 33,9 para 25,1 %wt, da CA diminuiu de 45,7 para 38,1 %wt, e da CCV diminuiu de 42,2 para 33,4 %wt, em base seca. A curva TG mostrou que a desvolatilização está praticamente concluída aos 350 °C, no entanto, de acordo com os padrões do IBI, a estrutura do biochar passou de termicamente alterada a termicamente convertida em temperaturas mais altas. Isso foi observado por meio das razões molares H:C que foram 0,73 a 450 °C, 0,61 a 550 °C e 0,67 a 450 °C para as amostras de biochar do BCA, CA e CCV, respectivamente. Os resultados da análise de FTIR mostraram que as amostras de biochar dos três tipos de biomassa produzidas na temperatura de 450 °C apresentaram maior aromaticidade em comparação com aquelas produzidas a 350 °C, e indica aumento da recalcitrância com o aumento da temperatura de pirólise. Além disso, o aumento da temperatura de pirólise causou o aumento do pH e a diminuição da CTC. A análise MEV mostrou que as amostras de biochar possuem uma estrutura complexa de poros de diferentes dimensões que consiste em múltiplas redes interconectadas com diferentes formas e arranjos. A energia disponível nos produtos foi avaliada e foi realizado o balanço de energia por meio de uma simulação, em termos específicos, da produção de biochar em um reator contínuo. A simulação sugere que a combustão dos gases de pirólise pode gerar a energia térmica necessária para a pirólise nos três tipos de biomassa avaliados, restando entre 2,5 a 3,4  de energia térmica, que é energia útil para, p.  ex., secagem da biomassa. A pesquisa mostrou a relevância em se conhecer a influência das condições de operação nas propriedades dos produtos. O balanço de energia pode orientar o desenvolvimento de tecnologias para escalonar o processo

RESUMO DE TESE: VALORISATION OF AGRICULTURAL WASTE THROUGH PYROLYSIS IN THE PRODUCTION OF BIOCHAR

Biochar é o material carbonáceo, produzido a partir de biomassa de origem biogênica, por meio de pirólise, e que tem como características sua produção ambientalmente sustentável, qualidade e usos inovadores. Os agrorresíduos constituem uma fonte importante de biomassa vegetal; e a pirólise vem sendo reconhecida como uma tecnologia eficiente de conversão desta tipologia de resíduos na obtenção de produtos de maior valor. Este trabalho investigou a influência das condições de operação da pirólise nas características dos produtos. Três tipos de agrorresíduos obtidos em agroindústrias (bagaço de cana-de-açúcar-BCA, casca de arroz-CA e casca de coco verde-CCV) foram pirolisados num reator horizontal, em escala de bancada, do tipo leito fixo e com aquecimento elétrico. As condições de operação foram: temperaturas de pirólise (350, 450 e 550 °C), taxas de aquecimento (2, 10 e 30 °C.min-1), 30 min de tempo de imersão na temperatura de pirólise e, vazão de 250 cm3.min-1 de N2 como gás de arraste. As amostras de biomassa e os produtos da pirólise foram avaliados por meio da análise gravimétrica, bem como análises térmicas, químicas e físicas. Os resultados mostraram que, em geral, a temperatura de pirólise foi o parâmetro que teve maior influência sobre o rendimento dos produtos. Quando a temperatura de pirólise foi aumentada de 350 para 550 °C, na taxa de aquecimento de 10 °C.min-1, o rendimento do biochar do BCA diminuiu de 33,9 para 25,1 %wt, da CA diminuiu de 45,7 para 38,1 %wt, e da CCV diminuiu de 42,2 para 33,4 %wt, em base seca. A curva TG mostrou que a desvolatilização está praticamente concluída aos 350 °C, no entanto, de acordo com os padrões do IBI, a estrutura do biochar passou de termicamente alterada a termicamente convertida em temperaturas mais altas. Isso foi observado por meio das razões molares H:C que foram 0,73 a 450 °C, 0,61 a 550 °C e 0,67 a 450 °C para as amostras de biochar do BCA, CA e CCV, respectivamente. Os resultados da análise de FTIR mostraram que as amostras de biochar dos três tipos de biomassa produzidas na temperatura de 450 °C apresentaram maior aromaticidade em comparação com aquelas produzidas a 350 °C, e indica aumento da recalcitrância com o aumento da temperatura de pirólise. Além disso, o aumento da temperatura de pirólise causou o aumento do pH e a diminuição da CTC. A análise MEV mostrou que as amostras de biochar possuem uma estrutura complexa de poros de diferentes dimensões que consiste em múltiplas redes interconectadas com diferentes formas e arranjos. A energia disponível nos produtos foi avaliada e foi realizado o balanço de energia por meio de uma simulação, em termos específicos, da produção de biochar em um reator contínuo. A simulação sugere que a combustão dos gases de pirólise pode gerar a energia térmica necessária para a pirólise nos três tipos de biomassa avaliados, restando entre 2,5 a 3,4  de energia térmica, que é energia útil para, p.  ex., secagem da biomassa. A pesquisa mostrou a relevância em se conhecer a influência das condições de operação nas propriedades dos produtos. O balanço de energia pode orientar o desenvolvimento de tecnologias para escalonar o processo

Environmental impacts of forest biomass-to-energy conversion technologies: grate furnace vs. fluidised bed furnace

Electricity production from biomass has the potential to significantly contribute to the power mix in Portugal with lesser environmental impact than non-renewable resources. This study focuses on electricity production from the combustion of residual forest biomass from eucalypt logging activities in Portugal using life cycle assessment. In Portugal, several power plants fuelled by residual forest biomass have been commissioned in the last few years. Most of the installations use fluidised bed furnaces, and the others use grate furnaces. This study aims to compare the environmental impacts associated with these two alternative combustion technologies. System boundaries include the stages of forest management, collection processing and transportation and energy conversion. The default impact assessment method used is that suggested in the International Reference Life Cycle Data System. In a sensitivity analysis, calculations are performed using the ReCiPe method. For all of the impact categories analysed, the fluidised bed presents the smallest environmental impact. Even when the grate furnace efficiency increases and the fluidised bed efficiency decreases in the sensitivity analysis, the fluidised bed has lower impacts than the grate technology and can be the best alternative in the implementation of new power plants.publishe

Forest biomass waste combustion in a pilot-scale bubbling fluidised bed combustor

Combustion experiments of forest biomass waste in a pilot-scale bubbling fluidised bed combustor were performed under the following conditions: i) bed temperature in the range 750e800 C, ii) excess air in the range 10e100%, and iii) air staging (80% primary air and 20% secondary air). Longitudinal pressure, temperature and gas composition profiles along the reactor were obtained. The combustion progress along the reactor, here defined as the biomass carbon conversion to CO2, was calculated based on the measured CO2 concentration at several locations. It was foundthat 75e80%of the biomass carbonwasconverted toCO2 in the region located belowthe freeboard first centimetres, that is, the region that includes the bed and the splash zone. Based on the CO2 and NO concentrations in the exit flue gas, it was found that the overall biomass carbon conversion to CO2 was in the range 97.2e99.3%, indicating high combustion efficiency, whereas the biomass nitrogen conversion to NO was lower than 8%. Concerning the Portuguese regulation about gaseous emissions from industrial biomass combustion, namely, the accomplishment of CO, NO and volatile organic compounds (VOC) (expressed as carbon) emission limits, the set of adequate operating conditions includes bed temperatures in the range 750 Ce800 C, excess air levels in the range 20%e 60%, and air staging with secondary air accounting for 20% of total combustion air