3c-BioPropriedades

PROPRIEDADES FÍSICO-
QUÍMICAS DA BIOMASSA 
Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro
Dept. Engenharia Mecânica da UFMG
Março 2012
Introdução
A caracterização de um combustível é dada por suas propriedades físico-químicas.
Os valores das propriedades são obtidos através de ensaios técnicos realizados em 
laboratórios, segundo normas técnicas.
Análise Imediata
Determinação dos teores ponderais (%) de umidade, matérias voláteis, carbono fixo e de 
resíduo fixo (cinzas ou matéria inerte) (ABNT NBR 8112, MB 1857).
A umidade é determinada através de normas, a partir da secagem uma estufa a 105°C 
de uma amostra tarada:
W(%) é o teor de umidade do combustível como recebido (%), Múmido a massa da amostra 
de combustível como recebido (kg) e Mseco a massa da amostra após a secagem (kg).
O teor de matérias voláteis MV (%) é determinado pirolizando em atmosfera sem oxigênio, 
uma amostra de 1 grama de carvão vegetal isenta de umidade, a 850±10°C durante 7 min.
Mseco é a massa do combustível seco na estufa, e M850 a massa após tratado a 850°C.
Análise Imediata
O teor de cinzas A(%) é determinado queimado uma amostra de combustível seco (105°C) 
em uma mufla até a temperatura final de 750°C (ASTM), até obter massa constante.
Mcinza é a massa do resíduo que ficou após combustão.
O teor de Carbono Fixo CF(%) é determinado por diferença entre a massa do char (M850) e 
das cinzas (Mcinza).
Obs:
A análise Imediata é sempre realizada para um combustível sólido no estado bruto (como 
recebido)
Análise Elementar
Determina o teor ponderal (% mássica) de cada um dos elementos químicos, na massa 
total do combustível.
C, H, S, O, N são teores ponderais (% massa) dos respectivos elementos químicos
A é o teor ponderal (%) das cinzas, W o teor ponderal (%) da umidade (água).
O subscrito "r" indica que a composição é expressa em termos da massa de "bruta”.
Composição na Base Seca:
Composição Seca sem Cinzas (Dry Ash Free = DAF):
Obs: A análise Elementar é realizada 
para o Combustível Dry Ash Free
Análise Imediata e Análise Elementar
Propriedades básicas para comparação do comportamento térmico
Teor de Potássio
Influencia a formação de escórias, fuligem e as propriedades do 
óleo de pirólise (alcatrão vegetal)
Teor de Nitrogênio
Importante para determinar as estratégias de mitigação das 
emissões de NOx
Umidade
Água armazenada no interior e paredes das células, nos espaços capilares
A madeira e o carvão vegetal são materiais higroscópicos e sempre possuem algum 
teor de umidade.
Água livre ou de embebição: ocupa parcial ou completamente o lúmem das células e 
os interstícios celulares, e pode ser evaporada com facilidade.
Água de adesão ou impregnação: está quimicamente ligada, por pontes de hidrogênio, 
às cadeias de celulose das paredes celulares, e é mais difícil de ser evaporada.
Biomassa: Água Livre + Águia de Adesão
Carvão Vegetal: Água Livre
Umidade
O teor de umidade pode ser apresentado em base úmida (bruto) ou base seca.
Na silvicultura e na indústria da madeira é comum o uso da umidade base seca, e nos 
demais ramos da energética, umidade base úmida.
Umidade Base Úmida:
Umidade Base Seca:
onde: Wbu é o teor de umidade da madeira base úmida ou como recebida (%), Wbs é o 
teor de umidade da madeira base seca (%), Múmido a massa da amostra de madeira 
como recebida (kg) e Mseco a massa da amostra após a secagem (kg).
Umidade
Ponto de saturação das fibras: água apenas na parede e não tem água nos espaços 
capilares. As fibras estão saturadas, mas não há água livre. 25-30% de umidade (BS)
Acima do Ponto Saturação poucas mudanças nas propriedades mecânicas
Abaixo: contrações e torções
Umidade de Equilíbrio: Árvore cortada perde umidade até que a umidade armazenada 
na madeira equilibra-se com a umidade do ambiente, diminuindo para cerca de 16%.
Figura. Teor de Umidade da Madeira em Função da Umidade Relativa do Ar.
Umidade
Determinação do Teor de Umidade:
Retirada de amostras (discos de 2-5 cm de espessura) 
Pesar discos
Colocar para Secar em estufa a 105ºC±3 (ABNT) ou 103ºC±1 (ASME), mínimo 12 horas
Pesar novamente. Se o peso das amostras não mudar, considera-se umidade removida.
Numa árvore viva o teor de umidade varia de 40% a 60% (BS).
Umidade
y = 2.779x + 10.538
R2 = 0.7655
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Diâmetro Ortogonal, cm
U
m
i
d
a
d
e
 
B
a
s
e
 
S
e
c
a
,
 
%
Poder Calorífico
Quantidade de energia liberada na combustão completa de 1 kg de combustível 
sólidos e ou de 1 m3 (CNTP) de combustíveis gasosos, estando os reagentes e 
produtos a 25ºC e 1 Atm (Condições Standart), kJ/kg ou kJ/m3 (CNTP). 
Poder Calorífico Superior (PCS) é a energia liberada pela combustão da unidade de 
massa (ou volume) de combustível, a volume constante, considerando que os 
produtos da combustão estão a 25ºC, e que a água formada pela combustão está
condensada (estado líquido). O PCS é medido diretamente pela bomba calorimétrica.
Poder Calorífico Inferior (PCI) é a energia liberada pela combustão da unidade de 
massa (ou volume) de combustível, na pressão constante de 1 atm, considerando que 
os produtos da combustão estão a 25ºC, permanecendo a água formada na 
combustão no estado vapor.
Diferença entre PCI e PCS: energia necessária para a vaporização da água dos 
produtos da combustão. 
PCI = PCS - 2441 ΓH2O Vgº = PCS - 2441 (9 H + W) kJ/kg
onde ΓH2O = Teor de água nos produtos da combustão (kg/m3), Vgº = Volume dos 
produtos da combustão (m3/kg combustível, CNTP), H = Teor de Hidrogênio no 
combustível (kg/kg comb), W = Teor de umidade no combustível (kg/kg comb).
Poder Calorífico
Calorímetro de Parr Bomba de Mahler
Poder Calorífico
O poder calorífico varia com o teor de umidade, que varia bastante na madeira e no
carvão vegetal. O poder calorífico da madeira seca PCIseco tipicamente encontra-se na 
faixa 20.000 a 22.000 kJ/kg. A fração da energia do combustível necessária para 
evaporar a umidade da madeira em combustão ou carbonização normalmente é obtida 
pela queima de uma fração da carga da lenha, é Wbs x hfg / PCIseco
Obs. Alguns autores chamam o PCIúmido de Poder Calorífico Efetivo
Poder Calorífico Poder Calorífico
Fonte: Forsi Pty Ltd
Influência da Umidade no Poder Calorífico Densidade Básica da Madeira
A densidade é um dos melhores parâmetros para expressar a qualidade da madeira e 
do carvão vegetal. 
A densidade básica da madeira é a relação da massa seca em estufa (105±3)°C 
dividida pelo respectivo volume da madeira acima do ponto de saturação das fibras. O 
volume acima do ponto de saturação das fibras é comumente denominado volume 
verde ou volume saturado.
Densidade Básica da Madeira Densidade a Granel
A densidade a granel (kg/m3) é determinada medindo a total massa da biomassa 
colocada no interior de um recipiente de 0,60m x 0,60m x 0,60m. Na avaliação da 
densidade a granel são contabilizados os vazios entre os pedaços de biomassa. A 
densidade a granel varia com a granulometria. Quanto maiores os pedaços, maiores 
serão os valores vazios, e menor a densidade. Com a presença de finos, existe um 
aumento a densidade a granel devido ao fato dos finos preencherem os vazios entre 
os grãos maiores.
Densidade Aparente
A densidade aparente (kg/m3) é a relação entre a massa de uma peça de carvão
e o seu volume, inclusive poros internos. Na densidade aparente não são considerados 
os vazios entre diversos pedaços de carvão, mas são considerados os vazios 
existentes dentro dos poros do carvão.
Para determinar o volume da peça de carvão, ela é mergulhada em um recipiente de 
água, e medido o volume de água deslocado. O ensaio é realizado de forma rápida, 
não dando tempo para que a água penetrar nos poros do carvão.
Densidade Verdadeira
É a relação entre a massa e o volume efetivamente ocupado pelo sólido, eliminando-se
todos os poros. Como o carvão vegetal é muito poroso, a densidade aparente dá
valores muito inferiores à densidade