Investigação da correlação entre a composição química, insumos de queima e condições operacionais de caldeiras a biomassa na formação de cinzas vitrificadas em refratários

Abstract

A geração de energia térmica é atividade fundamental para a maior parte da indústria de produção, destacando-se os processos de secagem, aquecimento, geração de vapor ou outras utilidades particulares de cada segmento. Atualmente os equipamentos de geração de energia térmica estão gradativamente sendo remodelados com a finalidade de funcionarem com fontes de energia renovável. Nesse sentido, entre os principais equipamentos para geração térmica, se destacam as caldeiras a biomassa, pela sua flexibilidade na utilização de diferentes tipos de combustíveis e pelo baixo custo operacional. A busca por uma maior redução de custos de insumos aliado ao apelo ambiental motiva as indústrias a aproveitarem materiais alternativos como combustível, por exemplo, resíduos florestais advindos de processos de fabricação internos ou externos. Nas reações de combustão no interior da câmara da fornalha as paredes refratárias são as primeiras frentes de contato e, portanto, são bastante sensíveis às variações da composição destes combustíveis. Observa-se que quando são utilizadas algumas biomassas florestais específicas ocorre a formação de incrustações danosas nas paredes refratárias das fornalhas de caldeiras e queimadores, o que causa um aumento no custo de manutenção e redução da via útil dos equipamentos. Desta forma, este trabalho apresenta o estudo do processo de formação e a caracterização da composição destes depósitos em paredes refratárias. O desenvolvimento do projeto envolveu uma pesquisa bibliográfica, a análise dos insumos de biomassa utilizados e as condições operacionais de equipamentos que também apresentam tal formação de depósitos. Estes foram caracterizados por meio de análises termogravimétricas (DSC-TGA), microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração (DRX) e fluorescência de raios-X (FRX), além de análises macroestruturais. As análises físico-químicas indicaram um desequilibro na razão de óxidos de sílica (SiO2) e óxidos de cálcio (CaO), além da presença de óxidos de potássio, que possui baixo ponto de fusão e aglutina-se aos particulados produzidos pela combustão formando incrustações. Com os ensaios experimentais foram identificados dois mecanismos de propagação das incrustações nos tijolos, difusão e capilaridade, as quais causam danos físicos as paredes refratárias. Como trabalhos futuros sugere-se investigar a aplicação de refratários com cromo em ambientes sujeitos a faixas de temperatura superiores aos 1050°C.

Abstract: The generation of thermal energy is a fundamental activity for most of the production industry, highlighting the processes of drying, heating, steam generation or other particular utilities of each segment. Currently, thermal energy generation equipment is gradually being remodeled in order to work with renewable energy sources. In this sense, among the main equipment for thermal generation, biomass boilers stand out, due to their flexibility in the use of different types of fuels and low operating costs. The search for a greater reduction of input costs combined with the environmental appeal motivates industries to take advantage of alternative materials as fuel, for example, forest residues arising from internal or external manufacturing processes. In the combustion reactions inside the furnace chamber, the refractory walls are the first contact front and, therefore, are very sensitive to variations in the composition of these fuels. It is observed that when some specific forest biomasses are used, harmful encrustations form on the refractory walls of boiler furnaces and burners, which causes an increase in maintenance costs and a reduction in the useful life of the equipment. Thus, this work presents the study of the formation process and the characterization of the composition of these deposits in refractory walls. The development of the project involved a bibliographical research, the analysis of the biomass inputs used and the operational conditions of equipment that also present such formation of deposits. These were characterized by thermogravimetric analysis (DSC-TGA), scanning electron microscopy (SEM), X-ray fluorescence (FRX) and X-ray diffraction (DRX), in addition to macrostructural analyses. The physical-chemical analyzes indicated an imbalance in the ratio of silica oxides (SiO2) and calcium oxides (CaO), in addition to the presence of potassium oxides, which have a low melting point and bind to the particles produced by combustion, forming incrustations. With the experimental tests, two mechanisms of propagation of incrustations in the bricks were identified, diffusion and capillarity, which cause physical damage to the refractory walls. As future works, it is suggested to investigate the application of refractories with chromium in environments subject to temperature ranges above 1050°C.