Characterization of particulate emissions from biomass power plants

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015Os esforços para a descarbonização do sector energético levaram a aumento do consumo de biomassa, considerado um combustível com baixas emissões de gases com efeito de estufa. Para além das baixas emissões de carbono, também as emissões de NOx e SO2 podem ser reduzidas em sistemas combustão de leito fluidizado (LF), respetivamente, ca 83 % e 90 % de redução podem ser atingidos. Facto relacionado com a composição das biomassas e com as características do sistema LF, assim, as centrais a biomassa apenas necessitam de sistemas para remoção de partículas, normalmente percipitadores electroestáticos (ESP). A bio-vantagem da biomassa como combustível é confrontada com alguns problemas como o alto conteúdo em água e o conteúdo inorgânico (cinzas). Também, a possível presença significativa de cloro do combustível pode resultar em emissões de HCl relevantes, possivelmente levando à necessidade de criação de legislação, valores de emissões limite, para controlar poluentes com origem em Cl nos sistemas de combustão a biomassa. O presente trabalho focou-se no material particulado emitido, a distribuição de diâmetros das partículas, a consituiçao e morfologia numa central portuguesa de média dimensão a biomassa (entre 20 MWth e 50 MWth). Os métodos utilizados foram: Partículas Totais em Suspensão (EN 13284-1:2009), Classificação Granulométrica de Partículas (Manual de utilizador do Mark III, baseado no Método 5 da EPA) e PM10/2,5 (EN ISO 23210:2009). As partículas coletadas foram observadas utilizando microssonda/SEM para morfologia e composição. Partículas finas, com diâmetros aerodinâmicos inferiores a 10 μm, apresentaram Cl e também um alto conteúdo alcalino, nomeadamente de Cálcio (Ca), Potássio (K) e Sódio (Na), com origem no combustível, bem como Sílica (Si), uma consequência de contaminação por solo e rochas, em adição à origem do combustível e areia do sistema LF. Para a partículas submicrónicas (inferiores a 0,43 μm) Chumbo (Pb), um metal pesado altamente tóxico para a saúde humana, foi detetado de forma discreta, apesar das pequenas quantidades normalmente apresentada na biomassa usada na central.The efforts for energy sector decarbonisation led to the increase of biomass consumption, considered as a low GHG emissions fuel. Besides the low carbon emissions, also NOx and SO2 emissions can be reduced in fluidized bed (FB) combustion system, respectively, ca 83 % and 90 % of reduction can be achieved. This happens due to the biomasses composition and the FB systems characteristics, therefore the biomass-fired PP only need a fly-ash/particle removal system, usually an electrostatic precipitator (ESP). The bio-advantage of the biomass as fuel is confronted if some drawbacks, such as the high water and inorganic (ashes) content. Also, the possible presence of significant chlorine content from the fuel may result in relevant HCl emissions, possibly raising the need for an ELV legislation to control Cl base pollutants from biomass combustion systems. The present work focused on the emitted particulate matter, particulate size distribution, constitution and morphology at a Portuguese medium combustion biomass-fired plant (between 20 MWth and 50 MWth). The methods used were: Total Suspended Particulate (EN 13284-1:2009), Particulate Granulometric Classification (Mark III user’s manual, based on the U.S. EPA Method 5) and PM10/2,5 (EN ISO 23210:2009). Particles collected were observed using Microprobe/SEM for morphology and composition. Finer particles, with aerodynamic diameters below 10 μm, presented chlorine (Cl) and also a high alkali content, namely of Calcium (Ca), Potassium (K) and Sodium (Na), with fuel’s origin, as well as Silica (Si), a consequence of soil and stone contamination in addition to fuel’s origin and sand from the fluidized bed system. For the submicron (ranges below 0,43 μm) lead (Pb), a highly toxic heavy metal for the human health, was detected in discrete forms, despite the low amounts usually present in the biomass used in the power plant