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PROCESSOS BÁSICOS DE CONVERSÃO DA BIOMASSA Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro Dept. Engenharia Mecânica da UFMG Março 2012 Uso da Biomassa Uso da Biomassa Uso da Biomassa Uso da Biomassa Uso da Biomassa Conversão e Uso dos BioCombustíveis • Conversão Termoquímica: • Combustão Residencial: Cocção e Aquecimento Industrial: Calor, Vapor, Eletricidade • Gaseificação: Eletricidade, Calor (hidrocarbonetos, metanol, hidrogênio - por processamento posterior) • Pirólise: Carvão vegetal, bio-óleos (químicos por processamento posterior) • Conversão Bioquímica: • Hidrólise / Fermentação: Etanol • Digestão Anaeróbica: Biogás (metano) • Conversão Mecânica: • Extração: Óleos Vegetais (Biodiesel por processamento) Pirólise da Biomassa Pirólise é aquecer a biomassa em uma atmosfera isenta de oxigênio. Os produtos da pirólise são carbono fixo (carvão vegetal), bio-óleos e gás combustível (CH4, CO, H2). Produtos da Pirólise Pirólise Rápida Bio-óleo Pirólise Lenta Carvão Vegetal Carvão Vegetal 12% Bio-óleo 75% Gás 13% Carvão Vegetal 35% Bio-óleo 30% Gás 35% Carvão Vegetal - Tecnologia Forno Meda Forno Rabo-Quente Carvão Vegetal - Tecnologia Forno DPC Retorta Lambiotte (Carboval) Bio-óleo – Princípio Bio-óleo – Etapas Bio-óleo – Propriedades Bio-óleo Óleo 1 (BPF) Umidade (% massa) Ph Peso Específico 5 – 30 2,5 1,2 ~ 0 0,8 Análise Elementar C H O N Cinzas 56,4 6,2 37,3 0,1 0,1 86 – 87 13 - 14 Poder Calorífico (kJ/kg) Viscosidade (cSt) 16.000 – 19.000* 25 - 100 40.000 1,5 - 30 * 25% de Umidade Gaseificação da Biomassa Pela Gaseificação (Combustão com falta de ar) a biomassa é transformada em um combustível gasoso que pode ser utilizado por diversos sistemas para a produção de calor e potência. Combustão Gaseificação C + O2 -> CO2 H2 + O2 -> H2O CO2 + C -> 2CO H2O + C -> CO + H2 Gaseificação - Princípios IGCC – Integrated Gaseification Combined Cycle Combustão Oxidação dos componentes voláteis e do carbono residual Combustão Combustão da Biomassa nos países industrializados: Disponível comercialmente de 5kWth até 550 MWth Combustão Aquecimento Novas Instalações a Biocombustível Fornalha separada com aquecimento elétrico Fornalha para combustível sólido Fornalha separada com caldeira aquatubular 1) Fornalha com acumulador 2) Queima de pellets na caldeira 3) Stoker inferior para chips ou pellets Potência 50 – 200 kW 1) Stoker inferior para chips ou pellets 2) Queimador de pellets auxiliar na caldeira Potência 200 – 500 kW 1) Stoker inferior para chips, pellets ou briquettes 2) Queimador de pellets auxiliar na caldeira 3) Fornalha de grelha fixa para chips, pellets ou briquettes Potência 500 – 1000 kW 1) Stoker inferior para chips, pellets ou briquettes 2) Fornalha de grelha fixa para chips, pellets ou briquettes 3) Fornalha de grelha móvel para chips, pellets ou briquettes Potência 1000 – 2000 kW 1) Fornalha de grelha móvel para chips, toras ou briquettes 2) Stoker inferior para chips, toras ou briquettes Potência > 5000 kW 1) Fornalha de grelha móvel para chips ou toras 2) Leito Fluidizado Lareiras Câmara de Ar Catalisador Combustão em 2 Estágios Potência: 4 - 12 kW Aquecedor a Pellets 1) Entrada de combustível 2) Depósito de combustível 3) Sistema de Alimentação 4) Dosador de combustível 5) Ventilador ar de combustão 6) Trocador de calor 7) Ventilador do ar aquecido 8) Cinzeiro 9) Controle de entrada de ar 10) Tubulação Gases Quentes Potência: 15 - 50 kW Lareira Doméstica Potência: 15 - 50 kW Queimador de Pellets Potência: 10 - 500 kW Queimador de Grelha Alimentação por Baixo: Potência: 50 - 2000 kW Alimentação por Cima: Potência: 500 - 10.000 kW Leito Fluidizado Potência: 5 - 100 MW Central de Incineração de Resíduos Urbanos BioCombustíveis Bio-combustíveis de Primeira Geração: • bioetanol • biodiesel Produzidos a partir de: cana de açúcar e sementes oleoginosas Bio-combustíveis de Segunda Geração: Produzidos a partir da lignocelulose, i.e. de todos tipos de plantas: madeira e diversos resíduos. - Rota Termoquímica: Gaseificação em Syngas e síntese de combustíveis (usa lignina, celulose e hemicelulose). - Rota Bioquímica: Conversão da Celulose e da hemicelulose em açúcares, e fermentação em álcool. Grande produtividade por hectare. Oportunidade de grande escala. Possível de serem produzidos nos países frios. BioCombustíveis – Princípios de Conversão BioCombustíveis – Princípios de Conversão BioCombustíveis – Processos de Produção Gaseificação + FT BioDigestão Decomposição de matéria orgânica por bactérias anaeróbicas em um ambiente isento de oxigênio O digestor anaeróbico é um reator que limita o acesso de oxigênio, permitindo a geração de metano e CO2 pelas bactérias. O Biogás pode ser queimado como combustível para produzir eletricidade. Fermentação Diferentemente das outras fontes renováveis, a biomassa pode ser convertida diretamente em combustível líquido para uso veículos de transporte. Os dois tipos mais comuns de biocombustíveis são o etanol e o biodiesel. O etanol é um álcool criado pela fermentação de biomassa com alto teor de carboidratos. Ele pode ser utilizado como aditivo da gasolina para diminuir a emissão de CO e outras emissões. O Biodiesel é produzido combinando álcool com óleos vegetais, gordura animal ou óleos de cozinha reciclados. Resumo Análise do Ciclo de Vida de Emissões Resumo Emissões do Ciclo de Vida de Algumas Tecnologias (g/kWh) Tecnologia CO2 SO2 NOx Carvão Mineral Gas CCGT 955 466 11,8 0,0 4,3 0,5 BioEnergia Palha – Ciclo de Vapor Resíduos Florestais – Ciclo de Vapor Resíduos Florestais – Gaseificação Resíduos de granja – Gaseificação Esterco – Digestão Anaeróbica Gas de Aterro sanitário Gas de Esgoto Incineração MSW 13 29 24 8 31 49 4 364 0,88 0,11 0,06 1,67 1,12 0,34 1,13 2,54 1,55 1,95 0,57 2,68 2,38 2,60 2,10 3,30 Resumo • Biomassa / biocombustível possui uma grande aplicação e potencial: • Aquecimento • Eletricidade • Combustível para transporte • Produtos Químicos • O uso sustentável da biomassa não produz emissão líquida de CO2 Resumo
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