3c-BioPropriedades

Prévia do material em texto

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 densidadeda água.
Para a determinação da densidade verdadeira é
necessário que a água preencha TODOS os 
poros.
Para tanto, coloca-se o material finamente moído 
em um pictômetro, adiciona-se água destilada e 
coloca-se para ferver, de modo a expulsar todo o 
ar dos poros.
Completa-se o nível do pictômetro com água e 
pesa-se.
Porosidade
A partir dos dados de densidade aparente e densidade verdadeira, pode-se calcular a 
porosidade:
O carvão vegetal é um material essencialmente poroso. Tomando-se como exemplo
a densidade aparente 430 kg/m3 e densidade verdadeira 1.500 kg/m3 tem-se uma 
porosidade de 71%.
Resistência Mecânica
A resistência mecânica é a capacidade da matéria suportar tensões. A resistência é
determinada pela tensão máxima que pode ser aplicada a corpos de prova isentos de 
defeitos, até o aparecimento de ruptura ou de deformação excessiva.
Os ensaios de compressão e tração podem ser aplicados à madeira. Entretanto, o 
carvão vegetal é um material frágil, e quando submetido ao ensaio de compressão não 
apresenta uma deformação significativa, mas ruptura súbita. Devido a estas 
características, a tensão de ruptura não pode ser determinada com exatidão.
Não existe um método confiável e 
reprodutível para avaliar a resistência 
mecânica do carvão vegetal. Alguns 
testes empíricos e comparativos foram 
desenvolvidos para avaliar a resistência 
mecânica do carvão vegetal, mas estes 
testes não produzem valores absolutos, 
e portanto não podem ser utilizados 
universalmente.
Resistência Mecânica
Índice de quebra e abrasão (ensaio de tambor) Tumber Test
Norma ABNT NBR 8740 / 1985) e Norma ISO R556/67
Consiste em colocar uma certa quantidade de carvão vegetal em um tambor, e 
submeter este tambor a um número determinado de rotações, a uma velocidade de 
rotação prefixada. Mede-se a friabilidade pelas análises granulométricas antes e 
depois do ensaio.
Resistência Mecânica
Índice de quebra e abrasão (ensaio de tambor) Tumber Test
Norma ABNT NBR 8740 / 1985) e Norma ISO R556/67
Resistência Mecânica
Índice de quebra (Ensaio de Queda) Shatter Test
Norma ABNT NBR7416/1984
Mede a degradação material em quedas sucessivas. Utiliza-se um equipamento onde 
10kg de carvão com distribuição granulométrica conhecida, é colocado em uma caixa e 
submetido a 4 quedas de 1,80 m de altura. Após o ensaio, mede-se a distribuição 
granulométrica do carvão resultante. Valores acima de 75, indicam boa resistência.
Resistência Mecânica
Índice de Moabilidade “Hardgrove Grindability Index (HGI)”
Norma ASTM 409-71
O HGI determina a moabilidade relativa (facilidade de moer ou pulverizar) de um 
carvão mineral comparado com um carvão padrão (índice 100). O teste é realizado em 
um pequeno moinho padrão (máquina Hardgrove), que consiste de 2 componentes 
principais. A seção inferior estacionária consiste de um recipiente com 8 esferas de 
aço (d=25,40±0,13 mm) em uma trilha de moagem. O mecanismo de moagem é
acionado pela parte superior rotativa do moinho.
Critérios de Qualidade do Carvão Vegetal
A qualidade do carvão vegetal é definida por:
Os critérios que definem a qualidade do carvão vegetal dependem de seu uso final. 
Europa – Carvão para churrasco -> baixo teor de matérias voláteis 
Países Pobres – Cocção -> carvão alta densidade, pedaços de grandes e pesados, fácil 
ignição (alto teor de matérias voláteis)
Alto-Forno
Resistência à compressão, distribuição granulométrica e composição química.
Carvão de alta resistência a compressão, de modo a evitar o esmagamento do carvão 
pela carga dentro do alto-forno, e a conseqüente geração de finos. 
A distribuição granulométrica influi diretamente na permeabilidade do leito do alto forno. 
O carvão de granulometria mais fina possui maior superfície específica por unidade de 
volume, aumentando a reatividade e diminuindo a permeabilidade) e podem ser 
arrastados pelos gases.
Critérios de Qualidade do Carvão Vegetal
Critérios de Qualidade do Carvão Vegetal
As faixas granulométricas devem ser estreitas, limitadas preferencialmente em 10-20 
mm e opcionalmente 5-20mm, aceitando-se "over-size" máximo de 5% e "under-size" 
10%. Misturas de partículas de tamanhos diferentes possuem menor permeabilidade 
que misturas com tamanhos iguais. As condições de permeabilidade tornam-se críticas 
para relações entre diâmetros médios maiores que 2:1. 
O alto teor de matérias voláteis é inconveniente pois o alcatrão pode condensar no 
sistema de limpeza de gases. O teor de carbono fixo e matérias voláteis podem ser 
controlados durante o processo de carbonização.
O teor de cinzas deve ser o mais baixo possível. Um valor de 0,24% é considerado 
excelente e um limite superior 1,5%. Além do teor de cinzas total, a quantidade de 
fósforo e enxofre são de grande importância. O teor de enxofre é geralmente baixo, de 
modo que o carvão vegetal é adequado para a produção de ferro-gusa de alta pureza. 
O teor de fósforo varia muito, não apenas entre as espécies, mas também no âmbito 
de uma árvore e com a composição do solo. Quanto mais velha for a madeira, menor o 
teor de cinzas e suas cinzas possuem menor teor de fósforo e potássio.
O carvão vegetal, devido à sua higroscopicidade, absorve a umidade do ar, e no 
interior do alto forno a evaporação desta umidade diminui o poder calorífico do carvão, 
diminui a resistência mecânica, provoca a quebra do carvão, e influi nas reações de 
redução, influenciando a produtividade do alto-forno. 
Fim