Poder calorífico dos resíduos: o que a alimentação decide sobre o forno

O que o poder calorífico dos resíduos mede

O poder calorífico dos resíduos é o calor liberado quando uma massa unitária do resíduo é queimada completamente, expresso em MJ/kg ou em kcal/kg. Dois valores circulam para todo combustível e todo resíduo. O poder calorífico superior conta todo o calor liberado, incluindo o calor latente do vapor de água que a combustão produz. O poder calorífico inferior subtrai esse calor latente, e é o que importa aqui, porque o gás de combustão sai de um incinerador acima do ponto de orvalho de sua água e o calor latente nunca é recuperado.

A outra distinção a resolver antes de qualquer valor ser usado é a base. Um valor citado em base seca descreve o material combustível no resíduo; um valor citado como recebido descreve o resíduo que chega ao portão, água e inertes incluídos, e é o valor como recebido que o forno de fato vê. Misturar os dois é o erro mais comum em um balanço de calor.

Para um único produto químico ou um plástico separado, o poder calorífico é um número. Para refugo municipal, resíduo clínico ou um tanque de lodo industrial, é uma distribuição, e o valor pelo qual projetar é a extremidade baixa da faixa que a alimentação de fato apresentará, e não sua média.

Poder calorífico dos resíduos para o dimensionamento do incinerador: o balanço de calor

O balanço de calor de uma câmara de combustão é curto, e todo o resto decorre dele. O calor que entra é igual à capacidade multiplicada pelo poder calorífico inferior da alimentação. O calor que sai vai por quatro caminhos: para aquecer e evaporar a água na alimentação; para aquecer o gás de combustão, o maior termo de longe, cuja massa é definida pelo excesso de ar; para perdas através das paredes, das portas e da cinza; e para manter a câmara e seu refratário na temperatura de que o processo precisa.

A consequência é que a temperatura da câmara é um resultado, e não um botão. O excesso de ar é a alavanca mais poderosa disponível: o ar que não é necessário para a combustão ainda tem de ser aquecido da temperatura ambiente até a temperatura da câmara pela mesma liberação de calor, de modo que o ar excedente dilui a chama e baixa a temperatura, enquanto o ar escasso deixa monóxido de carbono e material não queimado no gás. É isso que o ajuste de oxigênio no controle de combustão regula.

A água é a segunda alavanca e, em alimentações úmidas, a dominante. Cada quilograma de água na alimentação consome calor para evaporar, e esse calor sai do mesmo orçamento da temperatura da câmara. Uma alimentação que parece aceitável em uma análise seca pode ser uma queima fria e esfumaçada como recebida, e é por isso que o teor de umidade é o primeiro valor a verificar e o mais fácil de mudar.

O poder calorífico das correntes de resíduo comuns

As faixas abaixo são as normalmente citadas em orientações de projeto, e devem ser lidas como um método de partida, e não como uma especificação: elas descrevem classes de resíduo, não o seu resíduo, e são largas porque o teor de umidade e o conteúdo inerte movem o valor mais que a composição.

• O poder calorífico dos resíduos sólidos urbanos é comumente citado de cerca de 5 a cerca de 12 MJ/kg como recebido, com o refugo rico em embalagens no topo e o refugo rico em restos de comida ou da estação de monções na base. Os valores de projeto costumam ser tomados abaixo da média anual.
• O resíduo clínico e médico é rico em plástico e têxtil, de modo que fica confortavelmente acima do refugo doméstico, e uma unidade classificada para ele é uma máquina diferente de uma classificada para refugo na mesma capacidade.
• O poder calorífico da incineração de lodo tem de ser calculado, e não consultado. Uma torta desidratada é em sua maior parte água, e com 20 % de sólidos secos quase toda a liberação de calor vai para evaporar o resto, de modo que a aritmética pertence à torta real, e não a uma faixa.
• Plásticos, borracha, óleos e solventes ficam no alto, e uma corrente dominada por eles superaquecerá um forno dimensionado para refugo misto, em vez de subaquecê-lo.

Consumo de combustível auxiliar do incinerador: quando a alimentação não sustenta a temperatura

Uma câmara de combustão tem de alcançar sua temperatura de trabalho e permanecer nela. Abaixo de certo poder calorífico o resíduo não consegue fazer isso sem ajuda, e a estação precisa de um queimador operando continuamente, e não apenas na partida. Na prática dos resíduos municipais, uma regra prática de projeto situa esse limiar na região de 7 MJ/kg como recebido; é uma regra prática, e não um padrão, porque o valor real se move com o excesso de ar, a temperatura do ar de combustão e as perdas de calor da câmara.

Um queimador de apoio é um custo operacional, e não uma provisão de emergência, e pertence ao orçamento de operação desde a primeira estimativa. O consumo de combustível auxiliar do incinerador decorre da lacuna entre o calor que a alimentação fornece e o calor de que a câmara precisa, e sobe em tempo chuvoso, em carga baixa e sempre que o excesso de ar é ajustado alto.

Onde a alimentação é pobre em calor, há quatro respostas, geralmente combinadas: reduzir a água, por desidratação, drenagem ou cobertura do silo de armazenamento; pré-aquecer o ar de combustão; cortar o excesso de ar até o valor mais baixo que ainda dê combustão completa; ou aceitar o combustível auxiliar e dimensionar o queimador e o estoque de combustível com honestidade.

Volume do forno: por que os mesmos quilogramas por hora não são a mesma função

A câmara tem de reter o gás na temperatura exigida pelo tempo de residência que o padrão fixa — 2.0 segundos para resíduos médicos e perigosos, 2 segundos para resíduos municipais — e essa exigência é uma afirmação sobre volume contra vazão volumétrica de gás. A vazão de gás vem do ar de combustão, que vem do oxigênio de que a alimentação precisa mais qualquer excesso em operação.

Dois resíduos queimados nos mesmos quilogramas por hora, portanto, não produzem o mesmo forno. Uma alimentação de alto poder calorífico libera mais calor no mesmo volume de câmara, de modo que a taxa de liberação volumétrica de calor sobe, e o refratário e o comportamento de fusão das cinzas do resíduo impõem um teto a ela. Onde esse teto seria excedido, o projeto ou amplia a câmara, ou dilui a alimentação, ou acrescenta um sumidouro de calor, como uma parede de água ou uma caldeira de recuperação. Uma alimentação de baixo poder calorífico tem o problema oposto: a câmara é fácil de manter fria e difícil de manter quente.

É por isso que um valor de capacidade em quilogramas por hora é vazio de sentido sem o resíduo pelo qual foi classificado. A forma honesta de comparar duas ofertas é pedir o poder calorífico de projeto, o teor de umidade, o excesso de ar e o volume de câmara resultante por trás de cada valor. O artigo complementar sobre como dimensionar um incinerador de resíduos médicos leva o mesmo raciocínio a uma capacidade diária e a uma contagem de ciclos.

Medir o poder calorífico do seu próprio resíduo

Uma faixa de uma tabela é onde o trabalho começa, não onde termina, porque o valor que dimensiona o forno é uma propriedade do resíduo que o local gera. Três rotas chegam lá, em ordem crescente de esforço.

• Amostre o resíduo como recebido, ao longo de um período longo o suficiente para cobrir a variação, em proporção à massa que cada amostra representa. Para uma corrente heterogênea, essa é a parte difícil: uma única amostra pontual de uma caçamba vale muito pouco.
• Mande analisar as amostras. Uma análise imediata dá umidade, matéria volátil, cinza e carbono fixo; uma análise elementar dá carbono, hidrogênio, nitrogênio, enxofre, oxigênio e cloro; uma bomba calorimétrica dá o poder calorífico superior, do qual decorre o poder calorífico inferior.
• Faça um balanço de energia na própria estação. Pese o resíduo e o combustível auxiliar ao longo de um período de operação normal, registre a temperatura da câmara e o excesso de ar, e retrocalcule o poder calorífico efetivo que o consumo de combustível implica. Isso não precisa de laboratório e usa a alimentação como ela realmente chega.

Incineração de resíduos de baixo poder calorífico: os erros que decorrem de um valor errado

• Dimensionar por um valor em base seca ou de poder calorífico superior. O forno vê o resíduo como recebido, água e tudo, e o erro é sempre na direção otimista.
• Usar uma média anual. A estação tem de operar também na semana úmida, e um forno dimensionado pela média fica subdimensionado e com excesso de combustível quando mais importa.
• Comprar um valor de capacidade em quilogramas por hora sem perguntar por qual resíduo ele foi classificado. Duas ofertas podem citar o mesmo número e descrever máquinas diferentes.
• Tratar o queimador auxiliar como equipamento de emergência. Em uma alimentação de baixo poder calorífico, ele faz parte da condição normal de operação.
• Elevar o excesso de ar para perseguir uma chaminé limpa. O ar extra baixa a temperatura da câmara e aumenta o volume de gás que a câmara e a linha de gases têm de processar.
• Ignorar a umidade no armazenamento. Um silo aberto à chuva transforma uma alimentação que era marginal no papel em uma que não sustenta temperatura.

Autoverificação antes de dimensionar um forno

• O valor é um poder calorífico inferior, em base como recebido, medido em resíduo deste local ao longo de um período que cobre a variação?
• O teor de umidade é conhecido, e é sabido quanto ele varia ao longo do ano?
• A extremidade baixa da faixa está registrada, e o forno é dimensionado contra ela, e não contra a média?
• O balanço de calor foi feito, incluindo o excesso de ar com que a estação de fato operará?
• A função do combustível auxiliar é declarada como uma função contínua onde a alimentação precisa de uma, com o consumo de combustível e o armazenamento correspondentes?
• O volume da câmara é verificado contra o tempo de residência na maior vazão de gás que a estação verá?
• O valor de capacidade na oferta é qualificado pelo resíduo pelo qual foi classificado?

De uma análise de resíduo a um tamanho de forno

Um tamanho de forno é o resultado de um balanço de calor, e o balanço de calor vale apenas tanto quanto o poder calorífico e o teor de umidade que entram nele. Esses dois valores vêm do resíduo que o local gera, e não de uma tabela geral, e todo o resto — o volume da câmara, o queimador auxiliar, a capacidade que a unidade realmente aceitará, a linha de gases atrás dela — decorre disso. O gráfico de emissões de incineradores apresenta a temperatura e o tempo de residência que a câmara tem de sustentar, e as páginas de incineradores descrevem as unidades em que as câmaras são construídas. Envie-nos a análise do resíduo e a tonelagem diária, e o volume da câmara, a função do queimador e o valor de capacidade para o seu resíduo são confirmados com a fábrica para a sua análise de resíduo, e não lidos de uma tabela.