6-CombustaoBiomassa

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COMBUSTÃO DA 
BIOMASSA
Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro
Dept. Engenharia Mecânica da UFMG
Março 2012
Introdução
A combustão é uma forma eficaz de utilizar madeira como energético. Além da 
alta taxa de liberação da energia, o processo de combustão deve assegurar a 
queima completa da madeira e evitar a formação poluentes.
Para assegurar a combustão, algumas condições básicas devem ser 
respeitadas:
- Mistura adequada de combustível e oxigênio (ar) na proporção controlada.
- A chama, deve transferir parte do calor para o combustível alimentado de 
modo a assegurar a continuidade do processo de combustão.
Durante a combustão de madeira, aproximadamente 80% da energia é liberada 
na forma de gás e o restante a partir do carvão. É importante compreender que 
gases se queimam como chamas, que as partículas sólidas somente emitem 
brilho. 
Introdução
Combustão Direta
• As tecnologias de combustão convertem a biomassa em várias formas de 
energia útil para uso comercial ou industrial: ar quente, água quente, vapor e 
eletricidade.
• A fornalha é a tecnologia de combustão mais simples:
- A biomassa queima em uma câmara de combustão
- Conversão da biomassa em calor (os gases quentes possuem 85 % da 
energia químical do combustível) ‏
- Uso direto ou indireto de trocadores de calor para usar os gases quentes em 
ar quente ou água quente ou vapor
A combustão da biomassa pode ser dividida em 4 etapas (fases):
1) Secagem: umidade da biomassa se evapora
2) Degaseificação: as matérias voláteis são liberadas da biomassa,
3) Gaseificação: os gases liberados se misturam com o ar e se queimam a 
altas temperaturas
4) Combustão do carbono residual: O resto da biomassa (principalmente 
carbono) se queima
Introdução
Durante a mistura do combustível e ar, é importante para obter um bom contato 
entre o oxigênio do ar e do combustível. Quanto melhor o contato, mais rápido 
e mais completa é a combustão. Se o combustível estiver sob a forma de gás, 
(ex. gás natural), a mistura é ideal, pois são dois substâncias gasosas que 
podem ser misturados a exatamente na relação desejada. A combustão pode 
então, ocorrer rapidamente e, assim, o controle é muito rápido, uma vez que 
pode introduzir mais ou menos combustível.
A fim de obter aproximadamente a mesma situação com madeira, pode ser 
necessário pulverizar a madeira em partículas finas (como a farinha). Estas 
partículas finas irão seguir os movimentos do ar. Uma boa mistura pode, 
portanto, ser conseguida, de forma semelhante a combustão de gás ou a 
chama de óleo. 
A produção de pó de madeira é muito cara. Na prática, o combustível é assim 
comercializado em tamanhos variando de toras a chips.
Etapas da Combustão
Para ocorrer a combustão o combustível (sólido) deve passar por 6 estágios:
- Secagem - Secagem
- Emissão dos voláteis - Gaseificação e combustão
- Ignição dos voláteis
- Queima dos voláteis em chama
- Extinção da chama dos voláteis
- Combustão do carvão residual - Combustão do carvão residual
Etapas da Combustão
Etapas da Combustão Etapas da Combustão
Teoria da Combustão
Char
10- 20 %
Heat consumption
Heat 
production
Char
burning
Ignition
800
200 -
300
105
Moisture 
evaporation
Pyrolysis
Volatiles
80- 90 %
O C
Char
10- 20 %
Heat consumption
Heat 
production
Char
burning
Ignition
800
200 -
300
105
Moisture 
evaporation
Pyrolysis
Volatiles
80- 90 %
O C
COMBUSTÃO DA MADEIRA E PRODUÇÃO DE CALOR
@ 100 0C
@ 100 - 105 0C
@ 225 - 300 0C
@ 500 - 600 0C
@ 800 - 900 0C
Os 3 Parâmetros 
Importantes:
- Tempo
- Temperatura
- Turbulencia
Teoria da Combustão
Teoria da Combustão Tamanho do Combustível
Quanto maior for a partícula combustível, maior o tempo de combustão.
O pó de serra (serragem) queima rapidamente se for atirado em uma chama 
quente. Se existir um bom contato entre o combustível e o ar, as pequenas 
partículas se secam rapidamente, geram gases e se queimam, resultando em 
uma combustão de alta intensidade.
Se for colocada uma tora em uma chama quente, levará um longo tempo antes 
que seja queimado. Isto pode ser comparado a um assado colocado no forno. 
Embora após uma hora no forno esteja torrada por fora, fica ainda cru no meio. 
O tamanho do combustível, é de grande importância para o velocidade de 
combustão.
Teor de Umidade
O teor de umidade dos combustíveis reduz o Poder Calorífico Inferior, uma vez 
que parte do a energia vai ser utilizada para evaporação da água. A madeira 
úmida tem um baixo Poder Calorífico (kJ/kg), e a câmara de combustão deve 
ser isolada de modo a evitar redução na eficiência e possibilitar um processo 
de combustão contínuo.
A combustão é normalmente realizada em câmaras utilizando revestimentos 
refratários à volta das paredes, de modo a conservar o calor gerado. A câmara
da fornalha dever assim ser projetada para queimar madeira dentro de um 
certo intervalo de umidade.
Com uma umidade acima 55-60% (BU) é muito difícil manter o processo 
combustão.
Teor de Cinzas
O combustível contém várias impurezas que não se queimam - cinzas. As 
cinzas são indesejáveis, pois implicam na necessidade de filtrar os gases de 
combustão e a eliminação das cinzas e escórias resultantes. Parte das cinzas 
da madeira são oriundas do solo e areia impregnadas na casca. Uma menor 
proporção vem dos sais minerais absorvidos durante o crescimento da árvore.
As cinzas contém metais pesados, provocando um um efeito ambiental 
indesejável. Entretanto o teor de metais pesados da madeira é normalmente 
inferior ao de outros combustíveis sólidos.
Nos sistemas de aquecimento com grelha, a teor de cinzas é importante a fim 
de proteger grelha contra o calor do chamas.
O potássio (K) e o sódio (Na) existente nas cinzas podem causar depósitos na
unidade da caldeira. O teor de Na e K madeira é normalmente baixo de modo 
a não provocar problemas nas tecnologias tradicionais.
Teor de Voláteis
Madeira e outros tipos de biomassa contêm aproximadamente 80% voláteis (% 
matéria seca). Isto significa que até 80% do peso da madeira será
transformado em gases, enquanto o restante será transformado em carvão.
Esta é uma razão pela qual um saco de carvão parece leve em comparação 
com seu volume. O carvão vegetal mantém mais ou menos o volume original 
da madeira verde, mas perdeu 80% do seu peso.
Excesso de Ar
Na combustão são formados dióxido de carbono (CO2) e água (H2O).
Um combustível precisa de uma determinada quantidade de ar (oxigênio), 
reagir estequiometricamente (α = 1). Na prática, a combustão deve ser 
realizada com um excesso de ar maior que 1, uma vez que não é possível 
alcançar combustão completa com a quantidade de ar estequiométrica. 
Aspectos Ambientais
Além de CO2 e H2O, os produtos da combustão possuem O2, N2 e Ar e uma 
alta ou baixa quantidade de produtos indesejáveis, tais como CO, 
hidrocarbonetos, HPA, NOx etc
Uma combustão eficiente necessita:
• Alta temperatura
• Excesso de oxigênio
• tempo de combustão
• Mistura ar/combustível
Isto garante uma baixa emissão de monóxido de carbono (CO), 
hidrocarbonetos policíclicos poliaromáticos (HPA), e pequena
quantidade de carbono não queimado nas cinzas. Infelizmente, estas 
condições (alta temperatura, alto excesso de ar, longo tempo) estão também 
diretamente relacionadas com a formação de NOx. 
Combustão Direta
Combustão Direta Combustão Direta
Uma Caldeira de Biomassa é uma das tecnologias de combustão direta mais 
utilizadas, uma vez que a caldeira converte o calor da combustão em vapor.
- O vapor pode ser utilizado para calor, energia mecânica ou eletricidade
- O vapor na saída da caldeira contém 60 a 85 % da energia da biomassa
- Os principais tipos de caldeira a biomassa são: queima em câmara, grelha 
estacionárias ou rotativas, queimadores de leito fluidizado
Queima em Câmara:
- consiste de fornalhas, possuindo uma 
câmara de combustão superior e inferior
- A biomassa queima em uma grelha na 
parte inferior da câmara, liberando os 
voláteis
- Os gases voláteis se queimam na parte 
superior da câmara
-O operador deve parar periodicamente o 
queimador para remover as cinzas da 
fornalha refratária e do alimentador inferior.
Combustão Direta
Queimadores de Leito Fluidizado:
- Queimam a biomassa em um leito aquecido de material 
granular, tal com areia.
- injeção de ar no leito cria turbulências, parecendo um 
líquido em ebulição
- As turbulências distribuem e suspendem o combustível
- O projeto de um reator de leito fluidizado aumenta a 
transmissão de calor e permite operação abaixo de 950°C, 
reduzindo as emissões de NOx
- Os reatores de leito fluidizado pode operar com 
combustíveis com alto teor de cinzas, resíduos agrícolas e 
lama de esgoto.
Combustão Direta
Outras Tecnologias
Cogeração:
- Utilizar uma caldeira para produzir calor e eletricidade. Eficiência de 
conversão 85%
- Para comparação: a geração de eletricidade em um sistema turbina a vapor -
gerador possui uma eficiência de conversão de 17 a 25 %
• Tecnologia de Turbina a Gás de Queima Direta:
- O pre-tratamento do combustível reduz a biomassa em partículas de 
dimensões inferiores a 2 mm e teor de umidade inferior a 25 %
- O combustível é queimado com ar comprimido em uma turbina a gás que 
gera eletricidade
• Co-Combustão:
- A biomassa é utilizada como combustível secundário, i.e. em plantas de 
queima de carvão (mineral) ‏
- Pode ajudar a reduzir as emissões de NOx e SO2
- Diminui as emissões de carbono da planta (se a biomassa for originária de 
uma fonte sustentável)‏
Outras Tecnologias
Pirólise e gaseificação
• Gaseificação de combustíveis sólidos biológicos:
- fonte de energia gasosa (gás pobre, gás de água) pela conversão de 
combustíveis sólidos biológicos com a influência de altas temperaturas.
- transformação de combustíveis sólidos em componentes gasosos e sólidos 
pelo uso de calor e O2
- vantagens: menor emissão que a combustão, ideal para a recuperação de 
energia
- desvantagens: quantidade de poeira e compostos orgânicos na exaustão para 
uso nas turbinas
• Pirólise: (liquefação de combustíveis sólidos) ‏
- conversão da biomassa com falta de O2 e influenciado pelo calor
- produção de componentes sólidos, líquidos e gasosos para uso na 
recuperação de energia
- vantagens: O combustível sólido pode ser convertido em combustível líquido 
que pode ser facilmente transportado e possui alto poder calorífico
- Estado atual: em desenvolvimento
Tecnologias de Combustão da Biomassa
Sistemas de Grelhas:
Grelhas Inclinadas, grelhas oscilantes, grelhas rotativas
Tamanhos pequenos a médios (1 - 150 MW)‏
Eficiência baixa (65%)‏
Leito Fluidizado:
Leito Fluidizado borbulhante e circulante
Tamanhos pequeno a grande (3 - 700 MW)‏
Eficiência térmica normalmente superior a 80%
Uso de combustíveis pobres ou úmidos
Fornalhas de Combustível Pulverizado:
Uso de pellets (combustível seco) ‏
Eficiência térmica bem acima de 80%
Caldeira Doméstica de Aquecimento Central
Sistema para casas 
individuais ou blocos 
residenciais.
Água quente e aquecimento
Automático
Uso de Pellets ou toletes
Caldeira Doméstica de Aquecimento Central
Caldeira Toletes - Alimentação Manual
- Combustível de baixo preço
- Potência > 15kW
- Alimentação 1 vez por dia
- Acoplada a um tanque acumulador para controle
• Caldeira de Pellets
Caldeira de Pellets
- Combustível de alta qualidade - Equipamento 
pequeno
- Potência > 10kW
- Sistema de alimentação simples
- Grande nível de controle
Caldeira Doméstica de Aquecimento Central
Entrega de Pellets
Caldeira Doméstica de Aquecimento Central
Alimentação Automática - Componentes do Sistema
Armazenamento 
Combustível
Sistema de Alimentação
Câmara de Combustão
Trocador de Calor
Chaminé
Sistema Limpeza Gases
Cinzas
Tubulação Água
Caldeira Doméstica de Aquecimento Central
Componentes Caldeira de Chips
Caldeira Doméstica de Aquecimento Central
Opções de Armazenamento de Chips
Caldeira Doméstica de Aquecimento Central
Alimentação de Chips
Caldeira Doméstica de Aquecimento Central
Central Termoelétrica a Biomassa
Termoelétrica 12,3MW WinImport Paraná