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CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

A energia solar é uma fonte energética que não produz resíduos e sua captação vem sendo amplamente estudada, principalmente, para processos que necessitam de altas temperaturas. O consumo de cal virgem (CaO) tem aumentado nas últimas décadas e, apesar das suas inúmeras aplicações, seu processo industrial gera grandes impactos ambientais, como: a produção de CO2 e o alto gasto energético, advindo da queima de combustíveis fósseis ou eletricidade. Neste cenário, este trabalho tem como objetivo principal o estudo da viabilidade da produção de cal (CaO) a partir da decomposição de Carbonato de Cálcio (CaCO3), utilizando como fonte térmica a energia solar concentrada por Lentes de Fresnel. Dessa forma, foram construídos dois aparatos experimentais com Lentes de Fresnel de áreas (A) distintas: A = 0,09 m² e A = 1 m². A dinâmica de aquecimento de corpos de prova por Lentes de Fresnel foi prevista numericamente envolvendo as equações fundamentais dos Fenômenos de Transporte e o agrupamento dimensional (GA.M-1): radiação solar (G), área da lente (A) e carga mássica (M), que variou entre 2500 e 671500 W.kg-1. Posteriormente, a dinâmica de aquecimento foi verificada experimentalmente, utilizando A = 0,09m² e corpos de prova de alumínio e cobre, não alcançando temperaturas satisfatórias para os testes de decomposição do CaCO3. Assim, utilizou-se o aparato de Lente de Fresnel de 1m² e experimentos de 30 min de exposição solar para avaliar a decomposição do CaCO3. Além disso, foi investigado o melhor material para o reator de calcinação, analisando: cadinho de porcelana, ferro fundido e carbeto de silício. Foram proporcionadas pela Lente de Fresnel rampas de aquecimento entre 14 e 24°C.min-1, sendo a maior temperatura de equilíbrio atingida de 244°C para lente de A = 0,09m². Foram atingidas temperaturas entre 600°C e 800°C para lente de A = 1m², que eram necessárias para que a reação química ocorresse. Foi possível registrar as perdas de massa e calcular a conversão por meio da estequiometria da reação de decomposição térmica, alcançando conversões de até 81,82% para o agrupamento dimensional (GA.M-1) de 4443,96 W.kg-1. Assim, conclui-se que para as massas estudadas (Reator + MCaCO3) a concentração solar por lentes de Fresnel mostrou-se suficiente para realizar a decomposição térmica.

Solar energy is an energy source that does not produce waste and its capture has been studied extensively, mainly for processes that need high temperatures. The consumption of lime (CaO) has increased in recent decades and, despite its numerous applications, its industrial process generates large environmental impacts, such as: CO2 production and high energy expenditure, resulting from the burning of fossil fuels or electricity. In this scenario, this work has as main objective the study of the viability of the lime production (CaO) from the decomposition of Calcium Carbonate (CaCO3), using as a thermal source the solar energy concentrated by Fresnel Lenses. Thus, two experimental apparatus were constructed with Fresnel Lenses of different areas (A): A = 0.09 m² and A = 1 m². The heating dynamics of Fresnel Lens was predicted numerically involving the fundamental equations of Transport Phenomena and dimensional grouping (GA.M-1): solar radiation (G), lens area (A) and mass (M), which ranged from 2500 to 671500 W.kg-1. Subsequently, the heating dynamics was verified experimentally, using A = 0,09m² and aluminum and copper test bodies, not reaching satisfactory temperatures for the CaCO3 decomposition tests. Thus, the Fresnel Lens apparatus of 1 m2 and experiments of 30 min of solar exposition were used to evaluate the decomposition of CaCO3. In addition, the best material for the calcination reactor was investigated, analyzing: porcelain, cast iron and silicon carbide. Fresnel Lens were provided with heating ramps between 14 and 24 ° C.min-1, with the highest equilibrium temperature being 244 °C for lens of A = 0.09 m². Temperatures between 600 °C and 800 °C were reached with lens of A = 1 m², which were necessary for the chemical reaction to occur. It was possible to record mass losses and calculate the conversion by stoichiometry of the thermal decomposition reaction, achieving conversions of up to 81.82% for the 4443.96 W.kg-1 dimensional grouping (GA.M-1). Thus, it is concluded that for the studied masses (Reactor + MCaCO3) the solar concentration by Fresnel lenses was sufficient to perform the thermal decomposition.

Dissertação (Mestrado)