Atomização efervescente na combustão de óleos usados

Abstract

A eliminação de óleos usados, em particular os resultantes da lubrificação de máquinas e motores, representa um grave problema ambiental e que causa inquietação quanto ao fim a dar-lhes. Das tecnologias disponíveis para a sua eliminação/tratamento, a recuperação energética através da combustão ou a regeneração, que o transforma num óleo de base para o fabrico de novos lubrificantes, são as mais utilizadas. Embora haja bastante discussão em relação às vantagens e desvantagens de uma ou outra solução, a valorização energética continua a ter um elevado potencial. Há essencialmente duas razões para este cenário: representa uma fonte de energia com elevado poder calorífico reduzindo, desta forma, a procura e utilização de combustíveis fósseis convencionais; os benefícios económicos relativamente à regeneração. À excepção dos fornos de cimento e incineradores dedicados, a combustão de óleos usados é maioritariamente baseada na utilização de caldeiras convencionais de queima de combustíveis líquidos (como fuelóleo). No entanto, este tipo de aplicação apresenta um conjunto de problemas que derivam das características do combustível: elevada viscosidade, depósitos de carbono, partículas. Estes problemas dificultam o processo de atomização, sendo necessário um aquecimento prévio do óleo. Para além disso, a queima é deficiente, resultando na emissão de poluentes acima de valores permitidos. Neste trabalho foi investigada a aplicação de um atomizador efervescente na combustão dos óleos usados. Para isso, foi projectada e construída uma instalação experimental para a realização de testes de combustão. A instalação consiste em: caldeira horizontal de secção circular com 0.5 m de diâmetro interno e cerca de 3 m de comprimento, com camisa exterior de arrefecimento a água; sistema de bombagem de óleo usado; sistemas de abastecimento de ar; queimador com atomizador efervescente e sistema gerador de rotação incorporado; sistema de dissipação do calor produzido. Durante os testes foi utilizado um óleo usado (tipo OQ1), previamente tratado por uma empresa licenciada para o efeito (AUTO-VILA, SA). Previamente foram caracterizados os perfis de velocidade produzidos pelo gerador de rotação do ar de combustão sem reacção química. Foi efectuada uma caracterização térmica da caldeira, através da medição da temperatura de chama e das paredes interiores. A análise da combustão foi efectuada pelo registo das emissões dos gases de combustão (O2, CO2, CO e, pontualmente, NOx e partículas) complementada com a caracterização do escoamento no interior da fornalha com um sistema de anemometria laser. Os resultados demonstraram a eficácia da aplicação do atomizador efervescente, pelo que é uma alternativa promissora para instalações de baixa potência, pois permitiu a obtenção de uma combustão de óleos usados com uma chama estável e com reduzidas emissões de CO (até cerca de 18 ppm). O estudo do gerador de rotação mostrou que o desenvolvimento do jacto de ar com o caudal, depende do índice de rotação imediatamente a jusante do gerador. A eficiência de combustão depende essencialmente da adequação do jacto de alimentação do ar de combustão à estrutura do spray. Assim, conseguiu-se um bom desempenho com um spray longo usando um jacto de baixa rotação ou com uma alimentação de ar de elevada rotação com um spray de elevado ângulo. Esta segunda estrutura foi conseguida pela utilização de um injector com múltiplos orifícios, divergentes. Os dados de anemometria laser e dos perfis térmicos no interior da caldeira suportam esta interpretação. Foi também evidente a importante contribuição do ar de atomização no processo de combustão. A aplicação da técnica de planeamento de experiências de Taguchi com análise de variância permitiu identificar, dentro de um nível de aceitação elevado a contribuição do índice de rotação e do ar de atomização como os parâmetros mais importantes para a redução das emissões de CO.

The disposal of used lubricating oil is currently a problem of major concern. Amongst the technical solutions available, the energy recovery through combustion or re-refining back to a virgin base oil are those preferable. Although there is considerable debate on the merits and drawbacks of either solution, the combustion solution is still one with great potential. The reasons are two fold: a) it represents the use of an energy resource with a high heating value, thus reducing the demand on the conventional fuels; b) the economic benefits relatively to the re-refining solution. Presently, for all but the cement kilns applications or other dedicated incinerators, combustion is based upon the use of conventional liquid fuel boilers. However, this solution has various problems of concern, which result from the fuel characteristics: high viscosity, carbon deposits, and particulate emissions. These characteristics yield a problematic atomization (previous heating) and subsequent deficient combustion resulting in soot and high levels of gaseous emissions. The proposed research aimed to investigate the application of an effervescent atomizer in the combustion of used oils, in a dedicated water cooled combustion facility. This includes: a horizontal furnace with an inside diameter of 0.5 m and 3.0 m long; oil tank with pumping system to the atomizer and flow meter; primary (atomizing) air supplying system with pressure and flow meter; combustion air supplied through a swirl generator. The testes were performed with a lubricating used oil (ref. OQ1), supplied by AUTO-VILA, S.A. The research included LDA measurements of the swirl generator flow field outside the furnace. The combustion analysis was based upon the measurement of internal wall and flame temperatures and flue gas emissions (O2, CO, CO2, NOx and particulate). The results also included LDA velocity measurements inside the furnace. The results clearly show that the effervescent atomizer is a very effective device for combustion applications of highly viscous fuels. The combustion process yielded a stable flame with CO emissions as low as 18 ppm. Such characteristics yield the atomizer as a very promising device in low-medium power plants. Velocity measurements with the swirl generator have shown that the development of the flow field pattern depends upon the swirl number just downstream of the generator. The combustion efficiency depends essentially on an adequate interaction of the fuel spray with the combustion air supply. Thus, a good performance was achieved either by the combination of a narrow and long spray with a low swirl air flow, or with a wide spray and a high swirl air supply. The wide spray resulted from a multi-hole nozzle. These results are supported by LDA measurements and temperature profiles inside the furnace. The atomizing air proved to be an important factor in reducing the combustion emissions. The Taguchi methodology and ANOVA (analysis of variance) enabled the identification, with a high acceptance level that the swirl number and ALR are the most important factors for reducing CO emissions.