Um novo laboratório experimental desenvolvido para investigar a combustão de carvão em atmosferas de oxicombustão é descrito em detalhes na tese. Um reator ciclônico é utilizado para a combustão de carvões de baixo rank em condições de escoamento turbulento e com swirl, e operando em temperaturas similares às encontradas em câmaras de combustão industriais. Um sensor potenciométrico de oxigênio, instalado dentro do reator ciclônico, é utilizado para medir o consumo de oxigênio durante a combustão das amostras de carvão. Amostras de carvão com alto teor de cinzas, das minas do Leão e Bonito localizadas no sul do Brasil, e amostras de carvão linhito pré-seco (LTBK), da região da Lusácia, na Alemanha, foram submetidos à combustão em atmosferas de ar e de oxicombustão (O2/CO2/H2O). Os experimentos foram realizados em três temperaturas médias do gás de combustão: 1073, 1173 e 1273 K. Para as amostras do carvão LTBK, a oxicombustão foi composta com duas atmosferas de O2/CO2 sem vapor d’água (21/79 e 30/70) e três atmosferas de O2/CO2/H2O (30/60/10, 30/50/20 e 30/40/30) em base molar, enquanto para as amostras dos carvões Leão e Bonito, a oxicombustão foi composta com duas atmosferas de O2/CO2 (21/79 e 30/70). As amostras de carvão foram peneiradas para uma faixa de tamanho de partículas de 1250 a 2000 μm e 125 a 500 μm, e com massas de 1g e 3g. Em adição aos testes, amostras de char dos carvões Leão e LTBK foram preparadas para investigar o comportamento da combustão de suas matrizes carbonosas com diferentes níveis de matéria volátil. Primeiramente, a investigação da combustão do carvão é feita diretamente a partir das curvas de concentração de oxigênio medidas para a combustão das amostras de carvão LTBK submetidos às atmosferas de ar e oxicombustão com vapor d’água, conforme explicado no Capítulo 2 desta tese. Entretanto, devido ao grande número de experimentos realizados e a necessidade de entender a influência dos fatores, como temperatura e as composições das atmosferas oxidantes, e as interações entre esses fatores na combustão do carvão, a análise pela metodologia do Projeto de Experimentos (DoE) é aplicada nos experimentos, conforme detalhado no Capítulo 3. A reatividade dos carvões de baixo rank é investigada por meio do cálculo dos parâmetros cinéticos globais e dos coeficientes da taxa de reação de combustão do char, considerando a hipótese de um reator bem misturado, a ser verificada ao longo da investigação, conforme descrito no Capítulo 4. A partir da análise das curvas de concentração de oxigênio (Capítulos 2 e 3), os resultados mostram que a atmosfera de oxicombustão com 79% de CO2 (21/79, O2/CO2) aumenta o consumo de oxigênio para os carvões de alto teor de cinzas, Bonito e Leão, e para o carvão linhito com alto teor de voláteis (LTBK), devido à influência da reação de gaseificação do CO2 a partir de temperaturas acima de 1073 K. A partir da análise dos parâmetros cinéticos globais calculados para avaliar a reatividade dos carvões, os resultados mostram que a hipótese do reator bem misturado não é o suficiente para capturar a cinética da combustão do carvão por batelada no interior do reator ciclônico. A reatividade dos carvões investigados, através das constantes efetivas da taxa de reação, variando-se a composição da atmosfera oxidante, temperatura do gás de combustão, tamanho de partículas, massa da amostra e posição do sensor de oxigênio, têm influência do escoamento com swirl e seus termos advectivos e difusivos. / A novel laboratory facility designed to investigate coal oxy-fuel combustion is described in the present work. A cyclone chamber allows for the combustion of low-rank coal under turbulent conditions and swirling flows, covering a temperature range similar to those found on practical furnaces. A potentiometric oxygen sensor with oxide-ion conducting solid electrolytes, as stabilized zirconia, installed within the cyclone reactor, is used to measure the oxygen consumption during the combustion of coal samples. High ash coals samples, from Leão and Bonito mining sites located in South Brazil, and pre-dried lignite coal samples (LTBK), from the Lusatian region, in Germany, were burned under air and oxy-fuel (O2/CO2/H2O) atmospheres. Experiments were carried out at three average gas combustion temperatures: 1073, 1173 and 1273 K. For LTBK coal, oxy-fuel combustion was composed with two O2/CO2 atmospheres (21/79 and 30/70) and three O2/CO2/H2O atmospheres (30/60/10, 30/50/20 and 30/40/30) in molar basis, whereas for Leão and Bonito coals, the oxy-fuel combustion was composed with two O2/CO2 atmospheres (21/79 and 30/70). Coal samples were sieved to a size range of 1250 to 2000 μm and 125 to 500 μm and with 1g and 3g. In addition, char samples from Leão and lignite coals were prepared in order to investigate the combustion behavior of its carbon matrix for different levels of volatile matter. The investigation of coal combustion behavior is made firstly directly on the oxygen concentration curves measured for LTBK coal samples burned under air and oxy-fuel atmospheres with water vapor, as detailed in Chapter 2 of this thesis. However, due to the great number of experiments performed and the need to understand the influence of the factors, as temperature and atmosphere compositions, and the interactions between them on the coal combustion, the Design of Experiments (DoE) analysis is applied in the laboratory test facility, as developed in Chapter 3. The reactivity of low rank coals is assessed by means of global kinetic parameters and of char combustion reaction coefficients, under assumption of a well stirred reactor to be tested along the investigation, as described in Chapter 4. From the analysis of oxygen concentration curves (Chapter 2 and 3), results show that oxidizer oxy-fuel atmosphere with 79% CO2 (21/79, O2/CO2) increases the oxygen consumption for high ash coals, Bonito and Leão, and for pre-dried lignite coal, LTBK, due to the influence of CO2 gasification reaction on their coal combustion reactions from gas combustion temperatures higher than 1073 K. From the analysis of global kinetic parameters calculated to assess the coal reactivity, the results show that the hypothesis of a well stirred reactor is not enough to capture the kinetic involved in coal combustion burned in batch mode within the cyclone reactor. The coal reactivity investigated with the effective reaction rate constants for different oxidizer atmospheres, gas combustion temperatures, particle diameters, sample masses and oxygen sensor position, is influenced by the swirling flow with its advective and diffusive terms.

Um novo laboratório experimental desenvolvido para investigar a combustão de carvão em atmosferas de oxicombustão é descrito em detalhes na tese. Um reator ciclônico é utilizado para a combustão de carvões de baixo rank em condições de escoamento turbulento e com swirl, e operando em temperaturas similares às encontradas em câmaras de combustão industriais. Um sensor potenciométrico de oxigênio, instalado dentro do reator ciclônico, é utilizado para medir o consumo de oxigênio durante a combustão das amostras de carvão. Amostras de carvão com alto teor de cinzas, das minas do Leão e Bonito localizadas no sul do Brasil, e amostras de carvão linhito pré-seco (LTBK), da região da Lusácia, na Alemanha, foram submetidos à combustão em atmosferas de ar e de oxicombustão (O2/CO2/H2O). Os experimentos foram realizados em três temperaturas médias do gás de combustão: 1073, 1173 e 1273 K. Para as amostras do carvão LTBK, a oxicombustão foi composta com duas atmosferas de O2/CO2 sem vapor d’água (21/79 e 30/70) e três atmosferas de O2/CO2/H2O (30/60/10, 30/50/20 e 30/40/30) em base molar, enquanto para as amostras dos carvões Leão e Bonito, a oxicombustão foi composta com duas atmosferas de O2/CO2 (21/79 e 30/70). As amostras de carvão foram peneiradas para uma faixa de tamanho de partículas de 1250 a 2000 μm e 125 a 500 μm, e com massas de 1g e 3g. Em adição aos testes, amostras de char dos carvões Leão e LTBK foram preparadas para investigar o comportamento da combustão de suas matrizes carbonosas com diferentes níveis de matéria volátil. Primeiramente, a investigação da combustão do carvão é feita diretamente a partir das curvas de concentração de oxigênio medidas para a combustão das amostras de carvão LTBK submetidos às atmosferas de ar e oxicombustão com vapor d’água, conforme explicado no Capítulo 2 desta tese. Entretanto, devido ao grande número de experimentos realizados e a necessidade de entender a influência dos fatores, como temperatura e as composições das atmosferas oxidantes, e as interações entre esses fatores na combustão do carvão, a análise pela metodologia do Projeto de Experimentos (DoE) é aplicada nos experimentos, conforme detalhado no Capítulo 3. A reatividade dos carvões de baixo rank é investigada por meio do cálculo dos parâmetros cinéticos globais e dos coeficientes da taxa de reação de combustão do char, considerando a hipótese de um reator bem misturado, a ser verificada ao longo da investigação, conforme descrito no Capítulo 4. A partir da análise das curvas de concentração de oxigênio (Capítulos 2 e 3), os resultados mostram que a atmosfera de oxicombustão com 79% de CO2 (21/79, O2/CO2) aumenta o consumo de oxigênio para os carvões de alto teor de cinzas, Bonito e Leão, e para o carvão linhito com alto teor de voláteis (LTBK), devido à influência da reação de gaseificação do CO2 a partir de temperaturas acima de 1073 K. A partir da análise dos parâmetros cinéticos globais calculados para avaliar a reatividade dos carvões, os resultados mostram que a hipótese do reator bem misturado não é o suficiente para capturar a cinética da combustão do carvão por batelada no interior do reator ciclônico. A reatividade dos carvões investigados, através das constantes efetivas da taxa de reação, variando-se a composição da atmosfera oxidante, temperatura do gás de combustão, tamanho de partículas, massa da amostra e posição do sensor de oxigênio, têm influência do escoamento com swirl e seus termos advectivos e difusivos. / A novel laboratory facility designed to investigate coal oxy-fuel combustion is described in the present work. A cyclone chamber allows for the combustion of low-rank coal under turbulent conditions and swirling flows, covering a temperature range similar to those found on practical furnaces. A potentiometric oxygen sensor with oxide-ion conducting solid electrolytes, as stabilized zirconia, installed within the cyclone reactor, is used to measure the oxygen consumption during the combustion of coal samples. High ash coals samples, from Leão and Bonito mining sites located in South Brazil, and pre-dried lignite coal samples (LTBK), from the Lusatian region, in Germany, were burned under air and oxy-fuel (O2/CO2/H2O) atmospheres. Experiments were carried out at three average gas combustion temperatures: 1073, 1173 and 1273 K. For LTBK coal, oxy-fuel combustion was composed with two O2/CO2 atmospheres (21/79 and 30/70) and three O2/CO2/H2O atmospheres (30/60/10, 30/50/20 and 30/40/30) in molar basis, whereas for Leão and Bonito coals, the oxy-fuel combustion was composed with two O2/CO2 atmospheres (21/79 and 30/70). Coal samples were sieved to a size range of 1250 to 2000 μm and 125 to 500 μm and with 1g and 3g. In addition, char samples from Leão and lignite coals were prepared in order to investigate the combustion behavior of its carbon matrix for different levels of volatile matter. The investigation of coal combustion behavior is made firstly directly on the oxygen concentration curves measured for LTBK coal samples burned under air and oxy-fuel atmospheres with water vapor, as detailed in Chapter 2 of this thesis. However, due to the great number of experiments performed and the need to understand the influence of the factors, as temperature and atmosphere compositions, and the interactions between them on the coal combustion, the Design of Experiments (DoE) analysis is applied in the laboratory test facility, as developed in Chapter 3. The reactivity of low rank coals is assessed by means of global kinetic parameters and of char combustion reaction coefficients, under assumption of a well stirred reactor to be tested along the investigation, as described in Chapter 4. From the analysis of oxygen concentration curves (Chapter 2 and 3), results show that oxidizer oxy-fuel atmosphere with 79% CO2 (21/79, O2/CO2) increases the oxygen consumption for high ash coals, Bonito and Leão, and for pre-dried lignite coal, LTBK, due to the influence of CO2 gasification reaction on their coal combustion reactions from gas combustion temperatures higher than 1073 K. From the analysis of global kinetic parameters calculated to assess the coal reactivity, the results show that the hypothesis of a well stirred reactor is not enough to capture the kinetic involved in coal combustion burned in batch mode within the cyclone reactor. The coal reactivity investigated with the effective reaction rate constants for different oxidizer atmospheres, gas combustion temperatures, particle diameters, sample masses and oxygen sensor position, is influenced by the swirling flow with its advective and diffusive terms.

Um novo laboratório experimental desenvolvido para investigar a combustão de carvão em atmosferas de oxicombustão é descrito em detalhes na tese. Um reator ciclônico é utilizado para a combustão de carvões de baixo rank em condições de escoamento turbulento e com swirl, e operando em temperaturas similares às encontradas em câmaras de combustão industriais. Um sensor potenciométrico de oxigênio, instalado dentro do reator ciclônico, é utilizado para medir o consumo de oxigênio durante a combustão das amostras de carvão. Amostras de carvão com alto teor de cinzas, das minas do Leão e Bonito localizadas no sul do Brasil, e amostras de carvão linhito pré-seco (LTBK), da região da Lusácia, na Alemanha, foram submetidos à combustão em atmosferas de ar e de oxicombustão (O2/CO2/H2O). Os experimentos foram realizados em três temperaturas médias do gás de combustão: 1073, 1173 e 1273 K. Para as amostras do carvão LTBK, a oxicombustão foi composta com duas atmosferas de O2/CO2 sem vapor d’água (21/79 e 30/70) e três atmosferas de O2/CO2/H2O (30/60/10, 30/50/20 e 30/40/30) em base molar, enquanto para as amostras dos carvões Leão e Bonito, a oxicombustão foi composta com duas atmosferas de O2/CO2 (21/79 e 30/70). As amostras de carvão foram peneiradas para uma faixa de tamanho de partículas de 1250 a 2000 μm e 125 a 500 μm, e com massas de 1g e 3g. Em adição aos testes, amostras de char dos carvões Leão e LTBK foram preparadas para investigar o comportamento da combustão de suas matrizes carbonosas com diferentes níveis de matéria volátil. Primeiramente, a investigação da combustão do carvão é feita diretamente a partir das curvas de concentração de oxigênio medidas para a combustão das amostras de carvão LTBK submetidos às atmosferas de ar e oxicombustão com vapor d’água, conforme explicado no Capítulo 2 desta tese. Entretanto, devido ao grande número de experimentos realizados e a necessidade de entender a influência dos fatores, como temperatura e as composições das atmosferas oxidantes, e as interações entre esses fatores na combustão do carvão, a análise pela metodologia do Projeto de Experimentos (DoE) é aplicada nos experimentos, conforme detalhado no Capítulo 3. A reatividade dos carvões de baixo rank é investigada por meio do cálculo dos parâmetros cinéticos globais e dos coeficientes da taxa de reação de combustão do char, considerando a hipótese de um reator bem misturado, a ser verificada ao longo da investigação, conforme descrito no Capítulo 4. A partir da análise das curvas de concentração de oxigênio (Capítulos 2 e 3), os resultados mostram que a atmosfera de oxicombustão com 79% de CO2 (21/79, O2/CO2) aumenta o consumo de oxigênio para os carvões de alto teor de cinzas, Bonito e Leão, e para o carvão linhito com alto teor de voláteis (LTBK), devido à influência da reação de gaseificação do CO2 a partir de temperaturas acima de 1073 K. A partir da análise dos parâmetros cinéticos globais calculados para avaliar a reatividade dos carvões, os resultados mostram que a hipótese do reator bem misturado não é o suficiente para capturar a cinética da combustão do carvão por batelada no interior do reator ciclônico. A reatividade dos carvões investigados, através das constantes efetivas da taxa de reação, variando-se a composição da atmosfera oxidante, temperatura do gás de combustão, tamanho de partículas, massa da amostra e posição do sensor de oxigênio, têm influência do escoamento com swirl e seus termos advectivos e difusivos. / A novel laboratory facility designed to investigate coal oxy-fuel combustion is described in the present work. A cyclone chamber allows for the combustion of low-rank coal under turbulent conditions and swirling flows, covering a temperature range similar to those found on practical furnaces. A potentiometric oxygen sensor with oxide-ion conducting solid electrolytes, as stabilized zirconia, installed within the cyclone reactor, is used to measure the oxygen consumption during the combustion of coal samples. High ash coals samples, from Leão and Bonito mining sites located in South Brazil, and pre-dried lignite coal samples (LTBK), from the Lusatian region, in Germany, were burned under air and oxy-fuel (O2/CO2/H2O) atmospheres. Experiments were carried out at three average gas combustion temperatures: 1073, 1173 and 1273 K. For LTBK coal, oxy-fuel combustion was composed with two O2/CO2 atmospheres (21/79 and 30/70) and three O2/CO2/H2O atmospheres (30/60/10, 30/50/20 and 30/40/30) in molar basis, whereas for Leão and Bonito coals, the oxy-fuel combustion was composed with two O2/CO2 atmospheres (21/79 and 30/70). Coal samples were sieved to a size range of 1250 to 2000 μm and 125 to 500 μm and with 1g and 3g. In addition, char samples from Leão and lignite coals were prepared in order to investigate the combustion behavior of its carbon matrix for different levels of volatile matter. The investigation of coal combustion behavior is made firstly directly on the oxygen concentration curves measured for LTBK coal samples burned under air and oxy-fuel atmospheres with water vapor, as detailed in Chapter 2 of this thesis. However, due to the great number of experiments performed and the need to understand the influence of the factors, as temperature and atmosphere compositions, and the interactions between them on the coal combustion, the Design of Experiments (DoE) analysis is applied in the laboratory test facility, as developed in Chapter 3. The reactivity of low rank coals is assessed by means of global kinetic parameters and of char combustion reaction coefficients, under assumption of a well stirred reactor to be tested along the investigation, as described in Chapter 4. From the analysis of oxygen concentration curves (Chapter 2 and 3), results show that oxidizer oxy-fuel atmosphere with 79% CO2 (21/79, O2/CO2) increases the oxygen consumption for high ash coals, Bonito and Leão, and for pre-dried lignite coal, LTBK, due to the influence of CO2 gasification reaction on their coal combustion reactions from gas combustion temperatures higher than 1073 K. From the analysis of global kinetic parameters calculated to assess the coal reactivity, the results show that the hypothesis of a well stirred reactor is not enough to capture the kinetic involved in coal combustion burned in batch mode within the cyclone reactor. The coal reactivity investigated with the effective reaction rate constants for different oxidizer atmospheres, gas combustion temperatures, particle diameters, sample masses and oxygen sensor position, is influenced by the swirling flow with its advective and diffusive terms.

Les procédés conventionnels de transformation thermique de la biomasse sont conçus pour la production d’huiles ou de gaz riches en CO, CO2, H2 et hydrocarbures légers à des fins énergétiques ou chimiques. Le pilote de pyrolyse rapide utilisé dans cette étude comporte un réacteur cyclone, chauffé à ses parois, et capable de mettre en oeuvre la pyroliquéfaction ou la pyrogazéification par le simple jeu des conditions opératoires. Les produits de réaction (charbon, huiles et gaz) sont récupérés et analysés. Les bilans de matière massiques et élémentaires (C, H, O) bouclent de façon très satisfaisante. Les basses températures de paroi et faibles débits de gaz vecteur favorisent la pyroliquéfaction. La production d’huiles augmente avec le débit de biomasse. La taille des particules a une faible influence sur les sélectivités en gaz, liquides et charbon. Un modèle de fonctionnement du cyclone est établi en tenant compte de l’hydrodynamique des phases gaz et solide ainsi que des lois de transferts de chaleur paroi-gaz et paroi-solides dans le cyclone. Ce modèle inclut également un schéma cinétique de pyrolyse rapide intégré dans un modèle de décomposition de la particule, ainsi qu’un modèle de craquage des vapeurs. Validé successivement sur la cellulose puis sur le bois, il permet de prédire les variations des sélectivités en fonction des conditions opératoires. Le modèle montre que les réactions de craquage se déroulent majoritairement dans une mince couche limite proche des parois chaudes. On propose deux lois générales (pyrogazéification et pyroliquéfaction) regroupant les différents paramètres opératoires contrôlant les performances du réacteur / The usual processes of biomass thermal upgrading are designed for the production of bio-oils or of gases rich in CO, CO2, H2 and light hydrocarbons for energy or chemical productions. The laboratory-scaled set-up used in this study includes a cyclone reactor, heated at its walls and able to carry out the fast pyroliquefaction or pyrogazeification by simply changing the operating conditions. The reaction products (charcoal, liquids and gases) are recovered and analyzed. The masses and elementary (C, H, O) balances closures are very accurate. Pyroliquefaction conditions are favoured by low walls temperatures and small carrier gas flowrates. The bio-oils fractions increase with the biomass flowrate. The particles size has only a weak influence on gas, liquids and charcoal selectivities. A model representing the cyclone behaviour is established by taking into account the hydrodynamics of the gases and solids, and the wall-gas and wall-solids heat transfer laws inside the cyclone. This general model includes also a model of particle decomposition (scheme of fast pyrolysis in competition with heat transfers) and a model of vapours cracking. Validated successively with cellulose and then with wood, it allows to predict the variations of the selectivities according to the operating conditions. The model shows that the cracking reactions occur mainly inside a thin boundary layer close to the hot walls. Two laws (pyrogazeification and pyroliquefaction) gathering the various operational parameters that control the performances of the reactor are finally proposed