Parte 07 - Biomassa UFJF

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Aproveitamento Energético de Biomassa
Universidade Federal de Juiz de Fora – UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Energia Elétrica
Aproveitamento Energético de Biomassa
ENE105
Parte 07
Professor: Leonardo Willer de Oliveira
E-mail: leonardo.willer@engenharia.ufjf.br
Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de Oliveira
Gaseificação
Processo
� Termoquímico
22
� Transformação de combustíveis sólidos ou líquidos
em gás (producer gas)
� Oxidação parcial a temperaturas intermediárias
(oxigênio ou ar)
� Vapor de água superaquecido (syngas)
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Gaseificação
Aplicações
� Combustão em Motores Alternativos de Combustão
Interna (MACI) e Turbinas a Gás (TG)
33
� Conversão em combustíveis líquidos: diesel,
gasolina, metanol, etanol, amônia, hidrogênio
� Conversão em produtos químicos através de síntese
química catalítica, produção de plásticos
� Combustão em fornos e fornalhas
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Gaseificação
Aplicações
� Co-geração:
� Pequenas plantas com gaseificadores de leito fixo
Motor ciclo Otho
44
� Pequenas plantas com gaseificadores de leito fixo
para biomassa de alta densidade (ciclo Otho)
� Projetos de larga escala pressurizados com carvão
fóssil
� Leito fluidizado (atmosférico ou pressurizado) para
baixa densidade (polidispersa)
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Gaseificação
Aplicações
� Co-geração:
55
� Gaseificação com ciclos de turbina a gás e vapor
Sistemas BIG/GT (Biomass Integrated Gasifier / Gas
Turbine)
Limpeza do gás para TG e Motores de Combustão
Interna (MCI)
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Gaseificação
BIG/GT
Biomassa
SecadorUtilização de vegetais
lenhosos e não
66
Gaseificador Limpeza 
do Gás
Secador
Turbina 
a Gás
lenhosos e não
lenhosos
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Gaseificação
Processo
� Vantagens para a combustão direta
� Gás pode alimentar Motor de Combustão Interna (MCI)
77
� Gás pode alimentar Motor de Combustão Interna (MCI)
� Geração de energia mecânica, elétrica e térmica
� Menor volume de gases, equipamentos menores,
baixo custo
� Combustível gasoso
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Gaseificação
Processo
� Desvantagens para a combustão direta
88
� Processo tecnicamente mais complicado (gás tóxico
produzido)
� Perda de eficiência global
máquinas de fluxo
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Gaseificação
Rotas de Interesse
� Produção combinada de calor e energia elétrica
99
� Gás de síntese
� Reforma em reator catalítico ou fermentativo
� Combustíveis líquidos hidrocarbonetos, alcoóis,
hidrogênio
� Insumos químicos como ésteres e amônia
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Gaseificação
� Gás de síntese ou syngas
� Mistura rica em H2 e CO
1010
� Incorporação ao agente gaseificador de vapor
superaquecido
� Motor de combustão por centelha a gasolina
� Motor a Diesel adaptado - redução do índice de
compressão (evitar autoignição) e instalação de
sistema de ignição por centelha
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Gaseificação
Rotas para obtenção econômica
1111Fonte: NEST/UNIFEI
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Gaseificação
Turbina a Gás
Caldeira
Lavador
Calor
Eletricidade
1212
Gaseificador
Álcool
Metanol
Gasolina
Amônia
Metano
Conversão
Turbina a Gás
MCI
Motor Stirling
Célula Combustível
Craqueamento
Termo
craqueamento
Eletricidade
Co-geração
Fonte: Lora, E.S., Gasification technologies, NEST/UNIFEI
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Gaseificação
Biomassa
Filtragem 
de H2S
Turbina a Gás
Separação
Vapor
13
Biomassa
O2
CO2
Hidrocarbonetos
H2
Outros processos
syngas
Separação
H2
CO H2
Vapor + 
Gás
Líquido
Reciclagem
Fonte: 
ASPIRACOESQUIMICAS.NET
13
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Gaseificação
Biomassa Gaseificação syngas
Etanol
Fischer-Tropsch
Ceras
Diesel
Querosene
Gasolina
Hidrogênio 
Formaldeído (resinas, 
1414
Metanol 
Ácido Acético 
Cetonas (propanona) Ésteres (biocombustíveis, sabões, 
medicamentos)
Acetato de metila (inflamável 
e solvente)
Formaldeído (resinas, 
esterilizante e preservante) DME
Dimetil Éter (aerosóis, 
substituto do GLP ou Diesel)
Franz Fischer e Hans Tropsch
Reação catalítica (2n+1) H2 + n CO → Cn H(2n+2) + n H2O
Exemplo: metano - n=1
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Gaseificação
Poder Calorífico e Composição
Gaseificação com ar:
5 MJ/Nm3
1515
5 MJ/Nm3
50% de nitrogêniobs na mistura gasosa de saída do
reator
Gaseificação com oxigênio puro ou misturas:
10 a 15 MJ/Nm3
Teores mais baixos de nitrogênio livre na mistura
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Gaseificação
Razão de Equivalência (RE) (Fator de ar)
RE = Razão Oxidante / Biomassa .
Razão Estequiométrica Oxidante / Biomassa
1616
Razão Estequiométrica Oxidante / Biomassa
Combustão: RE ≥ 1
Gaseificação: 0,2 ≤ RE ≤ 0,4
Pirólise: RE ≈ 0
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Gaseificação
Fundamentação Teórica
1. Etapa de Pirólise
� Decomposição térmica entre 280 ºC e 450 ºC
Alcatrão da madeira
(resinosa)
1717
� Decomposição térmica entre 280 ºC e 450 ºC
� Secagem (a partir de 150ºC) e pirólise (gaseificação
parcial ou volatilização) com liberação de água, voláteis e
alcatrão
� Decomposição dos carboidratos entre 250ºC e 300ºC
(hemicelulose, celulose, lignina)
� Produção de alcatrão e ácidos leves entre 350ºC e 430ºC
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Gaseificação
Produtos da Pirólise (depende de temperatura e velocidade de
aquecimento)
� Gases ligeiros ou não-condensáveis (CO,CO2,H2,CH4,O2)
� Carvão Vegetal
1818
� Carvão Vegetal
� Condensado: alcatrão e ácidos
Esquema simplificado da pirólise do sólido
madeira + calor → coque + gases + alcatrão + condensáveis
hulha
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Gaseificação
2. Etapa de Gaseificação (“Redução”)
� Reações exotérmicas de oxidação (combustão)
1919
� Reações endotérmicas de redução envolvendo fases
sólida e gasosa
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Gaseificação
2.1. Reações heterogêneas gás-sólido
� Oxidação do carbono, (kJ/mol-C)
C + 1/2O2 = CO (-110,6) Obs.: ‘-’ reação exotérmica
C + O2 = CO2 (-393,8)
2020
C + O2 = CO2 (-393,8)
� Reação de Boudouard (entre 800º e 900ºC em todo o leito)
C + CO2 = 2CO (172,6)
� Reação de gás d´água
C + H2O = CO+H2 (131,4)
� Formação de metano (Metanação)
C + 2H2 = CH4 (-74,93)
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Gaseificação
2.2. Reações homogêneas (fase gasosa)
CO + H2O = CO2 + H2 (-41,2) (Reação de Shift)
CH4 + H2O = CO + 3H2 (201,9)
2121
3. Etapa de Craqueamento do Alcatrão
Alcatrão + vapor + calor → CO + CO2 + CH4
Oxidação de parte dos produtos da pirólise
1/3(CO+H2+CH4) + O2 → 2/3CO2 + H2O
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Gaseificação
Fatores que influenciam
temperatura, pressão, umidade combustível, teor de O2 no
gaseificador, tipo combustível, dinâmica de fluidização
2222
Gaseificadores de leito fixo
Zonas separadas de pirólise, oxidação e redução
Gaseificadores de leito fluidizado
C + CO2 → 2CO (Boudouard)
C + H2O → CO + H2 (Gás d’água)
C + 2H2 → CH4 (Metanação)
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Gaseificação
Elementos da Instalação
� Pré-processamento
2323
� Gaseificador
� Tratamentodo gás
� Sistema de controle
� Tratamento de resíduos
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Gaseificação
Classificação de gaseificadores
� Poder calorífico do gás produzido
baixo (até 5 MJ/Nm3); médio (5 a 10 MJ/Nm3); alto (10 a 40 MJ/Nm3)
2424
� Tipo de agente gaseificador
ar, vapor de água, oxigênio, hidrogênio (hidrogaseificação)
� Direção do movimento relativo biomassa - agente de
gaseificação
Fluxo direto (concorrente), leito fluidizado, contrafluxo
(contracorrente), fluxo cruzado, leito arrastado
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Gaseificação
� Pressão de trabalho
baixa (atmosférica); pressurizados (até 6 MPa)
� Tipo e forma da biomassa
2525
Tipo e forma da biomassa
resíduos agrícolas, industriais, sólidos urbanos, in natura, peletizada,
pulverizada
Predominância em projetos:
Potência térmica (400 a 900 kW térmicos).
Potência elétrica: 10 a 120 kW elétricos
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Gaseificação
Gaseificador Contracorrente
Gás
Combustível
�Eficiência térmica alta (energia 
térmica por combustão)
� Gás carregado
Alcatrão (20 a 100 g/Nm3); queima 
direta
�Teor particulado sólido baixo
2626
Cinzas
Ar
Combustão
0,1 a 0,2 g/Nm3
� Incrustações e entupimentos
Câmara na parte superior de alguns 
gaseificadores de grande porte
� Grelha na parte inferior
� Materiais refratários
� Temperatura de saída:
~400ºC
C + CO2 → 2CO
C + 2H2 → CH4
C + 1/2O2 = CO
Biomassa + Calor → Alcatrão + Coque + Gases + Condensáveis
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Gaseificação
Gaseificador Concorrente
Secagem
Biomassa
� Craqueamento do alcatrão na zona 
de combustão
0,1 a 1,2 g/Nm3 na saída
� Material particulado convertido na 
combustão
2727
Pirólise
Secagem
Combustão Redução
Cinzas
Gás
Ar Ar
� Capacidade limitada pelo diâmetro 
da câmara de combustão
� Cinzas e fuligem: 0,1 a 1,0 g/Nm3
� Maior temperatura de saída: ~700ºC
� Vulnerável a teor de cinzas e 
umidade do combustível
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Gaseificação
Gaseificador Concorrente
Secagem
Biomassa
� Dados Práticos:
• Diâmetro da região de pirólise - dobro do 
diâmetro da região de garganta
• Volume da região de redução - 0,05 m3
2828
Pirólise
Secagem
Combustão Redução
Cinzas
Gás
Ar Ar
• Volume da região de redução - 0,05 m
para cada m2 de garganta
• Relação ar/biomassa para a região de 
gaseificação entre 0,25 e 0,40
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Gaseificação
Gaseificador de
fluxo cruzado
� Gás intermediário entre os anteriores 
(produção de energia térmica)
� Maior taxa de fornecimento de ar
� Zona de combustão (C) com 
Biomassa
2929
temperaturas altas
� Liberação rápida dos gases
� Dispensa materiais refratários
� Resposta a variações de carga
� Construção simples e peso reduzido
� Sensíveis a composição e umidade
� Temperatura gás entre 800 e 900ºC
Ar C
P
R
Secagem
Gás
Cinzas
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Gaseificação
Gaseificador de
leito fluidizado
Gás
Biomassa
� Leito de inertes: areia, sílica, alumina
� Fluidização pelo agente de 
gaseificação
� Melhor transferência de calor
3030
Leito de 
Inertes
Biomassa
Alimentação
Ar
� Homogeneidade térmica (leito 
isotérmico)
� Alta velocidade reação gás sólido
� Emulsão e bolhas no leito
� Leito inicialmente aquecido (GLP, 
carvão vegetal)
� Elutriação: arraste de partículas finas
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Gaseificação
Gaseificador de
leito fluidizado
Gás
Biomassa
� Reatividade da biomassa: pode operar 
com temperaturas mais baixas, porém 
maior quantidade de alcatrão (até 15 g/Nm3)
� Para diminuir alcatrão: temperaturas 
mais altas – 110 a 1200ºC
3131
Leito de 
Inertes
Biomassa
Alimentação
Ar
mais altas – 110 a 1200ºC
� Devido às temperaturas mais baixas: 
menor teor de óxidos de nitrogênio, enxofre e 
particulados
� Controle da temperatura de reação pela 
alimentação de ar e combustível
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Gaseificação
Gaseificador de
leito fluidizado
Gás
Biomassa
� Sem resposta automática ao consumo 
de gás: necessidade de controle de ar e 
combustível
� Gás tende a ter ‘C’ não queimado, 
alcatrão e cinzas do combustível
3232
Leito de 
Inertes
Biomassa
Alimentação
Ar
alcatrão e cinzas do combustível
� Possibilidade de utilização de 
combustíveis como bagaço de cana-de-
açúcar e casca de arroz
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Gaseificação
Leitos fluidizado borbulhante e circulante
Circulante
3333
Circulante
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Gaseificação
Gaseificador de leito arrastado
� Sólidos secos em pó, combustível atomizado líquido ou suspensão
� O2 e vapor em fluxo co-corrente
3434
� O2 e vapor em fluxo co-corrente
� Metano e alcatrão menos presentes a altas temperaturas (maior O2)
� Pressões comerciais superiores a 35 bar
� Maiores capacidades (> 1000 MWe) para combustíveis fósseis
� Mais limitados para biomassa, particulados finos (80 a 100 µm)
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Gaseificação
Métodos para elevar o poder calorífico do gás
� Adição de hidrogênio ou vapor durante o processo
� Gaseificar com O2 puro ou ar enriquecido com O2
3535
Gaseificar com O2 puro ou ar enriquecido com O2
� Elevar a pressão
� Análise de viabilidade econômica
� Desafios tecnológicos relativos a equipamentos
� Decisão gaseificador: tipo de biomassa e uso do gás
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Gaseificação
Comparação entre Gaseificadores
Gaseificador Composição do gás, % vol base seca
PCS 
[MJ/Nm3]
Qualidade 
(Particulados
e alcatrão)
3636
[MJ/Nm ]
e alcatrão)
H2 CO CO2 CH4 N2
Leito fluidizado 9 14 20 7 50 5,4 Médio
Contracorrente 11 24 9 3 53 5,5 Pobre
Concorrente 17 21 13 1 48 5,7 Boa
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Gaseificação
Vantagens e Desvantagens Gaseificadores Leito
Fixo
Vantagens Desvantagens
Pouco controle da região central de
3737
Unidades simples e baratas
Pouco controle da região central de
reação (somente movendo-se a grelha)
Alta eficiência térmica (contracorrente)
Requer combustível uniforme para
operação ótima
Alta eficiência de conversão de carbono
Alto teor de alcatrão no gás
(contracorrente)
Baixo teor de cinzas no gás
Possível aglomeração e clivagem das
cinzas na grelha e refratários
Baixo teor de alcatrão no gás (concorrente) Baixa capacidade volumétrica
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Gaseificação
Vantagens e Desvantagens Gaseificadores Leito
Fluidizado
Vantagens Desvantagens
Flexibilidade com relação à taxa de A temperatura de operação é limitada pela
3838
Flexibilidade com relação à taxa de
alimentação e composição do combustível
A temperatura de operação é limitada pela
possibilidade de sinterização das cinzas
Alta capacidade volumétrica Alto teor de cinzas no gás
Possibilidade de controle da temperatura
do leito
Perda de carbono por fuligem pode ser
alta
Alcatrão formado a baixas temperaturas de
operação
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Gaseificação
Requerimentos de biomassa e dados operacionais
Tipo Gaseificador Contracorrente Concorrente Leito Fluidizado
Combustível
Diâmetro (mm) 10 – 100 10 – 100 1 – 10 
Teor de cinzas (%) ≤ 2% <6% <20%
3939
Teor de cinzas (%) ≤ 2% <6% <20%
Teor de umidade (%) ≤ 40% ≤ 25% <50%
Temperatura de fusão 
das cinzas (ºC)
1.000 1.000 1.000
Operação
Pressão (kPa) Até 3.000 Até 3.000 Até 6.000
Temperatura gás na 
saída do reator (ºC)
100 – 400400 – 700 500 – 900 
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Gaseificação
Gaseificador
4040
Fonte: Combustion, Gasification & Propulsion Laboratory – CGPL / IISc (2006)
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Gaseificação
Balanço de Potência
mb.hb + ma.ha = mg.hg + mcin.hcin + Qma [kW]
m : Fluxo de biomassa que entra no gaseificador [kg/s] 
4141
mb : Fluxo de biomassa que entra no gaseificador [kg/s] 
ma : Fluxo de ar introduzido no gaseificador [kg/s] 
mg : Fluxo de gás produzido na gaseificação [kg/s] 
mcin : Fluxo de cinzas [kg/s] 
Qma : Calor perdido para o meio ambiente [kW] 
hb : Entalpia da biomassa [kJ/kg] 
ha : Entalpia do ar [kJ/kg]
hg : Entalpia do gás [kJ/kg]
hcin : Entalpia das cinzas [kJ/kg]
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Gaseificação
Balanço de Energia
Entalpia do gás de biomassa (hg) [kJ/kg ou kJ/kmol]
hg = CCO2 .hCO2 +CCH4 .hCH4 +CH2 .hH2 +CN2 .hN2+CO2 .hO2 +CCO .hCO
+CH2O .hH2O
4242
Ci : Concentração volumétrica (%) do elemento ‘i’ no gás
hi : Entalpia do elemento ‘i’ [kJ/kg ou kJ/kmol]
hf: Entalpia de formação [kJ/kmol]
Cp: kJ/(kmol.K)
T: K
298
.
Tf
fh h Cp dT= + ∫
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Gaseificação
Balanço de Energia
Variação de entalpia ou salto entálpico (∆h) na
combustão
4343
PCIb : Poder calorífico inferior para a biomassa
b f f
PRODUTOS REAGENTES
h PCI h h∆ = − = −∑ ∑
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Gaseificação
p
a
d
rã
o
a
tm
)
Entalpia padrão “0”
O2 gasoso
N2 gasoso
H2 gasoso
4444B
al
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ço
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(2
5
º
C
e
1
Elemento Massa Molecular
(g/mol)
H2O 18,01528
CO2 44,01
SO2 64,066
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Exemplo
Considere um gaseificador de biomassa lignocelulósica concorrente 
com os seguintes dados:
i. Taxa de alimentação de biomassa = 100 kg/h;
ii. Capacidade específica de processamento = 1250 kg / (m2.h);
4545
ii. Capacidade específica de processamento = 1250 kg / (m .h);
iii. Alimentação de ar: 155,19 kg/h;
iv. Produção de gases de 214,55 kg/h ou 200 Nm3/h;
v. Produção de cinzas de 40 kg/h;
vi. Temperatura do gás produzido de 600 oC.
vii. Análise elementar da biomassa (base seca - bs)
C 45,80%; H 5,90%; O 47,90%; N 0,30%; S 0,09%. 
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Exemplo
4646
Fonte: Rodriguez, C. J. C., Análise Técnica – Econômica de um Gaseificador
de Biomassa de 100 kg/h para Acionamento de um Motor de Combustão 
Interna, UNESP, Guaratinguetá, 2007.
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Exemplo
O Poder Calorífico Inferior (PCI) da biomassa é 16500 kJ/kg.
A massa molecular e o poder calorífico do gás produzido são de 
24,034 g/mol e 5,1716 MJ/Nm3, respectivamente.
A concentração volumétrica (%) dos gases (base úmida - bu) no gás 
4747
A concentração volumétrica (%) dos gases (base úmida - bu) no gás 
produzido é dada por: 
CO2 13,40%; CH4 3,60%; H2 17,90; N2 40,20%; O2 0,90%; CO 
13,40%; H2O 10,60%; W = 12,10%.
A entalpia do ar na entrada do gaseificador é 225,7 kJ/kg e a
entalpia das cinzas é 788,83 kJ/kg.
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Exemplo
O consumo de gás de um grupo motor-gerador a ser alimentado
pelo gás de saída da biomassa (motor de ignição) é de 4,24
Nm3/kWh para uma carga de 2,5 kW.
Observações:
4848
1. Da combustão de 1 kg de biomassa obtém-se:
CO2 1,6793 kg; SO2 0,0018kg e H2O 0,531 kg;
2. A 600 oC:
hCO2 = -366,87; hCH4 = -45,33; hH2 = 16,714; hN2 = 17,38;
hO2 = 18,326; hCO = -92,93; hH2O = -220,752 [kJ/mol].
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Exemplo
Determine:
a) Dimensões do gaseificador.
b) Entalpia do gás produzido.
4949
c) Entalpia da biomassa.
d) Perda de calor para o meio ambiente.
e) Eficiências a frio e a quente do processo de gaseificação.
f) Eficiência elétrica média do grupo motor-gerador para carga
máxima.
g) Consumo específico de biomassa por potência elétrica.
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Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de Oliveira
Exemplo
Consumo de gás do gerador (Nm3/kWh)
por carga (kW)
5151