Engenharia de materiais em câmaras de combustão de centrais a biomassa

Desafios específicos dos combustíveis biogénicos

A combustão de biomassa difere fundamentalmente da combustão de combustíveis fósseis. A estilha de madeira, a madeira usada, a casca e outros combustíveis biogénicos apresentam composições muito variáveis. O teor de humidade, o teor de cinzas e a composição química variam não só entre diferentes tipos de combustível, mas também entre fornecimentos distintos do mesmo tipo. Esta variabilidade coloca ao revestimento refratário da câmara de combustão desafios particulares, que não podem ser suficientemente controlados com conceitos de materiais normalizados.

As cinzas de biomassa contêm elevados teores de álcalis, como o potássio e o sódio, que, às temperaturas de combustão, formam fases fundidas agressivas. Estas fases fundidas atacam quimicamente o revestimento refratário e provocam um desgaste acelerado. Particularmente crítica é a combinação de elevados teores de álcalis com baixos pontos de amolecimento das cinzas, como sucede na combustão de palha ou de resíduos de cereais.

A seleção de materiais como fator-chave

• Os materiais refratários ricos em óxido de alumínio oferecem boa resistência ao ataque químico dos álcalis, mas são sensíveis aos ciclos térmicos
• Os materiais com carboneto de silício combinam elevada resistência ao desgaste com boa resistência aos ciclos térmicos, mas têm um custo de aquisição mais elevado
• Os materiais especiais com óxido de crómio são utilizados em zonas extremas, mas exigem vias de eliminação específicas
• Os betões refratários com sistemas de ligação de baixo teor de cimento permitem revestimentos sem juntas em geometrias complexas

Zonamento da câmara de combustão

Um revestimento moderno de câmara de combustão não é executado com um material único, mas dividido em zonas, cada uma revestida com o material mais adequado. A zona da grelha e de avanço está sujeita a forte solicitação mecânica e térmica e exige materiais resistentes à abrasão e aos ciclos térmicos. A zona de pós-combustão está exposta ao ataque químico mais intenso das cinzas fundidas e necessita de materiais resistentes à corrosão. A zona de radiação e o estrangulamento estão sujeitos sobretudo a solicitação térmica e são dimensionados com materiais de elevada refratariedade.

No planeamento de um revestimento de câmara de combustão, trabalhamos em estreita colaboração com os operadores para determinar os perfis de solicitação específicos. Que combustíveis são utilizados? Qual é o teor de cinzas? Existem variações sazonais na qualidade do combustível? Com base nestas informações, desenvolvemos um conceito de materiais à medida, que maximiza a vida útil e minimiza os custos de manutenção.

Pormenores construtivos como fator de vida útil

Além da seleção de materiais, são os pormenores construtivos que determinam o sucesso ou o fracasso de um revestimento de câmara de combustão. A conceção das juntas de dilatação, a execução do sistema de ancoragem, a eliminação de pontes térmicas e a ligação aos componentes adjacentes exigem muitos anos de experiência e um profundo conhecimento das relações termomecânicas. Um pormenor frequentemente subestimado é a conceção das zonas de transição entre diferentes zonas de materiais. Aqui encontram-se materiais com comportamentos de dilatação térmica diferentes. Sem soluções construtivas adequadas para compensar a dilatação, surgem nestes pontos fissuras de tensão que servem de porta de entrada a meios agressivos e conduzem a uma falha prematura.