Combustion of alternative biomass fuels in a domestic boiler and in a large-scale furnace

Programa Doutoral em Engenharia Mecânica.Biomass is a renewable source of energy, used in combustion on both domestic and industrial applications. Biomass combustion has a high impact in the environment due to the released products, which must be measured and analyzed. The main goal of this work was to study the viability of alternative biomass fuels, both for the economic valorization of these alternative materials and to ease the pressure on the demand of pine sawdust. This viability will depend on the characteristics of the combustion release products and the effects on the combustion equipments of using such materials. For achieving this goal, combustion test were performed with alternative biomass fuels in a domestic boiler and in a large-scale furnace. The raw materials examined were pine sawdust, furniture residues, cork residues and branches of vine, olive, kiwi and platanus. The combustion characteristics of these biomass fuels were studied by thermogravimetry, fouling and slagging indexes, chemical analysis of bottom and fly ashes, gaseous and particulate matter emissions and a scanning electron microscope for analysis of the particulate matter. The characteristics of the traditional biomass fuel (pine sawdust) and alternative biomass fuels used were significantly different. The alternative biomass fuels presented higher heating value and lower nitrogen content. However, they contained more ashes, and the undesirable chemical composition of those ashes can constitute a problem. The thermogravimetric results showed that the alternative residues studied are good alternatives to the pine sawdust in terms of combustion parameters such as level of heat released and activation energy. The ashes indexes disclosed some problems related to slagging and fouling, due to the high levels of silica in pine sawdust and potassium in agriculture residues. The combustion in the pellet-fired domestic boiler revealed some operational problems with the alternative biomass fuels. Accumulation of ashes in the grate by sintering mechanisms was observed and higher concentrations of CO were also measured, which was accompanied by the emission of soot particles, as detected by x-ray spectroscopy. The particulate matter emissions were also significantly higher (especially for vine and olive pellets) than those from the pine sawdust pellets, mainly for particles with very low diameter (0.32 and 0.76 μm). High levels of potassium were also found in the particulate matter from the alternative biomass pellets, which are an important source of particles with low sintering characteristics. However, the high presence of silicon in pine sawdust proved to be the biggest problem in terms of slag formation. The combustion of pulverized biomass in the large scale furnace was performed for furniture and cork residues, and kiwi and platanus branches. The results showed that the cork residues are the most problematical regarding the particulate matter emissions, followed by the agricultural biomass fuels (kiwi and platanus). Particles with a diameter around 0.26 μm were those released in greater amounts for all biomass fuels tested, reaching a maximum of 137 mg/Nm3@6%O2 for cork residues. The scanning electron microscope analysis revealed high quantities of carbon in all samples of the particulate matter, especially for the lower diameters. Regarding the chemical composition of the particulate matter, the more representative element was potassium, followed by smaller quantities of chlorine and sulphur. The pine sawdust and furniture residues, which are commercialized products, proved to be the best raw materials for combustion and originated less problematic products. The other biomass fuels studied can represent good alternatives when using equipment that does not require such high quality fuels, such as in industrial applications. However, the emissions of particulate matter with sizes below 2.5 μm, that are very harmful to human health by causing respiratory problems, need to be captured to prevent its release into the atmosphere.A biomassa é uma fonte de energia renovável, usada em combustão para aplicações, quer domésticas quer industriais. A combustão de biomassa tem um elevado impacto no ambiente devido aos produtos libertados, que é necessário medir e analisar. O principal objetivo deste trabalho foi estudar a viabilidade de combustíveis de biomassa alternativos, quer para a valorização económica desses materiais, quer para aliviar a procura de serrim de pinho. Esta viabilidade dependerá das características dos produtos de combustão libertados e dos efeitos do uso desses materiais nos próprios equipamentos. Para alcançar este objetivo foram efetuados testes de combustão de biomassas alternativas numa caldeira doméstica e numa fornalha laboratorial de grandes dimensões. As matérias-primas analisadas foram o serrim de pinho, resíduos de mobiliário, resíduos de cortiça e ramos de videira, oliveira, kiwi e plátano. As características da combustão dessas biomassas foram examinadas recorrendo à termogravimetria, índices de fouling and slagging, análise química das cinzas residuais e volantes, emissões gasosas e de partículas e microscopia eletrónica do material particulado. As características da biomassa tradicional (serrim de pinho) e das biomassas alternativas apresentaram diferenças significativas. As biomassas alternativas apresentaram um maior poder energético e baixos teores em azoto. No entanto, a presença de maiores teores de cinzas e uma composição química indesejável das mesmas podem constituir um problema nestas biomassas alternativas. Os resultados termogravimétricos mostraram que os resíduos estudados são boas alternativas ao serrim de pinho em termos de parâmetros de combustão, tais como o nível de calor libertado e a maior taxa de energia. No entanto, os índices das cinzas antecipam alguns problemas relacionados com slagging e fouling, devido a elevados níveis de silício no serrim de pinho e potássio nos resíduos agrícolas. A combustão de pellets na caldeira doméstica revelou alguns problemas operacionais no caso das biomassas alternativas. Observou-se a acumulação de cinzas na grelha por mecanismos de sinterização e maiores concentrações de CO, acompanhadas por maior quantidade de partículas de fuligem emitidas, tal como observado nas análises de espectroscopia de raio-x. A concentração de partículas em suspensão também foi significativamente maior do que no caso do serrim de pinho (especialmente para os pellets de videira e oliveira), principalmente para partículas com pequenos diâmetros (0,32 e 0,76 μm). Foram encontrados elevados níveis de potássio resultantes da queima dos pellets alternativos, que originam partículas com fraca sinterização. No entanto, a elevada presença de silício no serrim de pinho provou ser o aspeto mais problemático em termos de formação de escórias. Foram realizados testes de combustão de biomassa pulverizada na fornalha laboratorial de grandes dimensões, com resíduos de mobiliário e cortiça, e ramos de kiwi e plátano. Os resultados mostraram que os resíduos de cortiça, seguido pelas biomassas agrícolas (kiwi e plátano) são os mais problemáticos relativamente a emissões de partículas. As partículas com um diâmetro em torno de 0,26 μm foram as libertadas em maior quantidade para todas as biomassas testadas, atingindo um máximo de 137 mg/Nm3@6% de O2 para os resíduos de cortiça. A análise das partículas com o microscópio eletrónico revelou grandes quantidades de carbono em todas as amostras, especialmente nas de menor diâmetro. Em relação à composição química, o elemento mais representativo foi o potássio, seguido de menores quantidades de cloro e enxofre. O serrim de pinho e os resíduos de mobiliário, produtos atualmente já comerciados, provaram ser a melhor matéria-prima para combustão, com produtos menos problemáticos. As outras biomassas estudadas podem representar boas alternativas para utilizar em equipamentos que não exijam combustíveis tão nobres, nomeadamente em aplicações industriais. No entanto, é necessário capturar as emissões de partículas com diâmetros inferiores a 2,5 μm para que não sejam libertadas para a atmosfera, pois são muito prejudiciais para a saúde humana causando problemas respiratórios