“Quando se trata de aquecimento global, o carvão é o gorila na sala.”
Os combustíveis sólidos foram, historicamente, a principal fonte primária de energia utilizada pelo homem.
Introdução
A descoberta do controle do fogo pelo homem foi uma marca importante na história da raça humana e o combustível sólido esteve sempre presente desde então.
A Lenha se tornou o principal combustível da humanidade e houve um enorme desmatamento.
O aparecimento do Carvão salvou as florestas, mas o crescimento populacional da terra produziu uma voracidade energética que nos levou ao aquecimento global, à poluição atmosférica, e a doenças respiratórias.
O Petróleo surgiu como esperança de cura para os males do carvão e da poluição produzida pelos dejetos dos animais utilizados no transporte.
Porém, a insaciável fome de energia nos mostrou que ele também produz consequências.
A Biomassa ressurgiu como esperança ambiental, mas sua baixa densidade energética não consegue competir com os combustíveis fósseis.
Dentro deste contexto, a Figura 1 apresenta os principais combustíveis sólidos utilizados na geração de eletricidade.
Do ponto de vista de geração de energia elétrica, o carvão continua o mais importante.
Contudo, este cenário deverá se modificar no futuro para que controlemos o aquecimento global.
Combustão de Combustíveis Sólidos
Apesar do combustível sólido possuir uma longa história de utilização pelo homem, os segredos da sua combustão ainda não foram totalmente revelados.
De acordo com Miller, a combustão de combustíveis sólidos envolve processos físicos e químicos e pode ser representada pela seguinte reação simplificada:
As principais simplificações nesta reação são:
-
- Ausência do Oxigênio no combustível;
- Ausência do Nitrogênio no combustível;
- Ausência de substâncias inorgânicas.
Estas simplificações não afetam muito o balanço energético destes combustíveis, mas não podem ser desprezados em outros casos, como no estudo de emissões.
A Figura 2 mostra a estrutura geral de partículas de combustível sólido.
A umidade do ar, do solo e da chuva penetram no combustível sólido que, em função da porosidade e do tipo de combustível, permanece impregnada na partícula.
A umidade contida no combustível apenas absorve energia da combustão para evaporar e sair do processo com os gases resultantes da combustão na forma de vapor.
Portanto, a umidade reduz o Poder Calorífico do combustível e reduz a eficiência de todo o processo.
Os componentes voláteis representam as substâncias presentes nas partículas que, ao serem aquecidas, se desprendem das partículas sólidas e se transformam em gases combustíveis.
Esta parcela do combustível absorve parte da energia da combustão para se separar da parte sólida da partícula, mas, ao se misturar com ar com temperatura adequada, entra em combustão e libera energia.
Portanto, esta parcela pode reduzir ou aumentar o Poder Calorífico do combustível.
Por sua vez, o carbono representa a parte do combustível sólido que permanece neste estado durante todo processo de combustão deste combustível.
Finalmente, as cinzas resultam dos compostos inorgânicos que permanecem no estado sólido e ou líquido durante o processo de combustão e não entram em combustão.
Isto significa que esta parcela do combustível não fornece energia, mas absorve parte da energia da combustão no seu aquecimento. Além disso, as cinzas tendem a se acumular nas paredes das caldeiras, reduzindo a eficiência térmica das mesmas.
Em função desta estrutura do combustível, o fluxograma abaixo resume as etapas da combustão de combustíveis sólidos.
Aquecimento
Inicialmente, o combustível sólido se aquece até a temperatura de vaporização da água aproximadamente 100 °C porque a caldeira opera com pressão próxima da atmosférica.
Para aumentar a eficiência do processo, o combustível sólido necessita de processamento prévio para que as partículas tenham um tamanho uniforme e pequeno.
Quanto menor o tamanho da partícula de combustível, mais rápido será o processo de combustão. Por outro lado, quanto menor este tamanho, gasta-se mais energia no processamento do combustível.
Como as partículas são porosas, parte da umidade se encontra no interior do combustível. Por isso, durante a fase de aquecimento, observa-se ocasionalmente a explosão da partícula formando partículas ainda menores. 1
O processo de aquecimento absorve calor, tornando-se necessário utilizar combustível auxiliar para iniciar a combustão dos combustíveis sólidos.
De acordo com Miller, a Equação 3 apresenta a transferência de calor no interior da partícula considerada esférica.
Onde:
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- k é a condutividade térmica do combustível;
- A é a área da superfície da partícula de combustível;
- Ts é a temperatura na superfície da partícula de combustível;
- Tc é a temperatura no centro da partícula de combustível;
- r é o raio da partícula de combustível.
Após a partícula atingir a temperatura de ebulição da água, calor adicional se torna necessário para vaporizar toda a umidade contida. Este calor depende da massa de água existente (% de umidade) e da entalpia de vaporização da água.
Pirólise
Durante esta fase, como não existe mais água para ser vaporizada, a temperatura da partícula volta a subir, mas o Oxigênio é insuficiente para oxidar o Carbono, Hidrogênio e Enxofre existentes no combustível.
Porém, nesta fase, os hidrocarbonetos se quebram separando o Alcatrão do Carvão e o calor necessário continua o obtido da combustão ocorrida anteriormente.
O Carvão gerado continua no estado sólido, mas o Alcatrão pode se encontrar nos estados líquido ou gasoso, dependendo da temperatura.
A quantidade de Alcatrão e Carvão gerados dependem da temperatura da câmara de combustão e da composição do combustível.
Combustão dos Voláteis
A combustão dos voláteis envolve diversas reações químicas complexas que ocorrem muito rapidamente.
Essas reações são catalisadas pela existência de radicais livres, principalmente os OH, que iniciam as reações e as propaga de forma extremamente rápida.
A partir do início da combustão dos voláteis, a partícula de combustível sólido começa a liberar energia.
Combustão dos Sólidos
Denomina-se de Carvão a matéria sólida restante após a queima dos voláteis independentemente do combustível sólido inicialmente utilizado.
A combustão deste Carvão começa quando o oxigênio consegue encontrar a superfície da partícula sólida aquecida a acima da sua temperatura mínima de combustão.
As reações abaixo são algumas das possíveis de ocorrer durante a combustão do carvão.
Observa-se que a combustão completa do carbono não ocorre sempre devido à dificuldade de o oxigênio penetrar na superfície porosa do combustível.
Por isso, a combustão parcial do carbono leva a formação de monóxido de carbono, que se oxida posteriormente.