Dendroenergia: Combustão de Biomassa

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DENDROENERGIA - COMBUSTÃO DE BIOMASSA 
	O termo biomassa engloba a matéria vegetal gerada através da fotossíntese e os seus derivados, tais como: resíduos florestais e agrícolas, resíduos animais e a matéria orgânica contida nos resíduos industriais, domésticos, municipais, etc. Estes materiais contêm energia química provinda da transformação energética da radiação solar. Essa energia química pode ser liberada diretamente por combustão, ou convertida através de algum processo em outras fontes energéticas mais adequadas, para um fim qualquer desejado, tal como álcool e o carvão vegetal. Aproveitando aproximadamente 1% do total da radiação solar incidente sobre a Terra, estima-se que anualmente sejam produzidas, pelo processo de fotossíntese, cerca de 220 x 109 toneladas de biomassa (base seca), o que equivale a uma energia de 2 x 1015 MJ, ou seja, mais que 10 vezes a energia global consumida por ano no nosso planeta (SMIL, 1985).
	Os recursos energéticos da biomassa podem ser classificados de diversas maneiras, entretanto deve-se reconhecer que aos fluxos de energia de biomassa são associados os biocombustíveis que, por sua vez, podem ser apresentados em três grupos principais, de acordo com a origem da matéria que os constitui. Dessa forma, existem os biocombustíveis da madeira (dendrocombustíveis), os combustíveis de plantação não florestal (agrocombustíveis) e os resíduos urbanos. 
A tabela a seguir mostra de forma detalhada a classificação dos biocombustíveis.
TABELA 1.1 PÁGINA 2
Dendrocombustível (biocombustível da madeira): Inclui basicamente a lenha, que pode ser produzida e obtida de maneira sustentável a partir de florestas plantadas ou nativas, respeitando limites que possibilitem a regeneração natural de tais florestas, ou também obtida por desmatamento de formações nativas com o intuito, neste caso, de obter terras para atividades agropecuárias. Pode-se também obter este combustível através de atividades que processam ou utilizam a madeira com finalidade não exclusivamente energética, como por exemplo serrarias e indústrias de celulose. A figura a seguir esquematiza os fluxos de biocombustíveis da madeira:
FIGURA 1.1 PÁGINA 3
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O termo dendroenergia se associa com a biomassa energética lignocelulósica em geral e seus subprodutos, sobretudo em bases renováveis, sendo considerados como temas dendroenergéticos os aspectos técnicos, sócio-econômicos e ambientais relacionados com a produção florestal, o pré-processamento dos recursos florestais e semelhantes, sua eventual conversão em outras formas de energia final e, por último, sua efetiva utilização.
Para transformação da unidade volumétrica de madeira em energia, foi considerada uma densidade de 725 kg/MCS e um poder calorífico de 13,8 MJ/kg, valores que resultam em ITJ (terajoules) para cada 100 MCS, ou seja, 10 GJ (gigajoules) por MCS.
Referências
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Em meio às diversas cadeias energéticas definidas com base no recurso promário adotado (biomassa, petróleo, gás natural, etc.), a bioenergia é a que apresenta maior diversidade e complexidade, cobrindo uma ampla gama de aplicações, desde a utilização da lenha em cozinhas domésticas, a fim de preparar alimentos, até a combustão do licor negro em caldeiras de alta pressão e elevada capacidade, envolvendo sempre grande número de agentes e apresentando múltiplos inter-relacionamentos na sociedade e no meio ambiente.
Embora tipicamente para a produção do combustível se aproveite a madeira de árvores mortas, podas e resíduos, em que quase não há uma preparação deste material para sua adequação ao uso final, a combustão deste se realiza de maneira bastante deficiente, com perdas muito elevadas. Ademais, por não existirem geralmente sistemas para a extração de fumaça, criam-se condições que são prejudiciais à saúde do usuário.
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FIGURA 2.2 / FIGURA 2.3
Ampliação e racionalização da oferta de recursos dendroenergéticos:
- Proteção e manejo adequado das formações florestais naturais;
- Criação de novos recursos de madeira para uso como lenha nas propriedades perto dos usuários;
- Estímulo aos sistemas agroflorestais que possuem uma visão múltipla e não exclusiva da árvores;
- Valorização dos recursos de madeira para uso como lenha mediante a organização dos mercados e a distribuição dos benefícios de sua exploração;
- Valorização dos subprodutos e resíduos biomássicos não aproveitados.
Incremento da eficiência no uso final dos recursos dendroenergéticos:
- Introdução de métodos adequados para a operação e manutenção dos equipamentos existentes;
- Adoção de tecnologias melhoradas para a conversão ou transformação final;
- Adoção de técnicas de preparação do combustível.
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TABELA 2.1
As características técnicas mais importantes da biomassa como fonte de energia são: composição química (elementar e imediata), umidade e poder calorífico. As definições destes parâmetros são apresentadas a seguir:
- Composição química elementar: corresponde ao conteúdo percentual em massa dos principais elementos que constituem a biomassa, geralmente referente à matéria seca, ou seja, sem considerar a presença de água. São geralmente apresentados valores para carbono (C), hidrogênio (H), enxofre (S), oxigênio (O), nitrogênio (N) e cinzas (A). Esta última parcela elementar constitui a base dos cálculos de combustão.
- Composição química imediata: se refere ao conteúdo percentual, baseado na massa do combustível, do carbono fixo (F), materiais voláteis (V), cinzas (A) e eventualmente umidade (W). O conteúdo de voláteis expressa a facilidade de se queimar um material e se determina como a fração em massa do combustível que volatiza durante o aquecimento de uma amostra padronizada, em atmosfera inerte, até a temperaturas de aproximadamente 850ºC, por 7 minutos. A fraçao de carbono que permanece na amostra logo após este aquecimento é chamada de carbono fixo ou coque.
- Umidade: é a medida da quantidade de água livre na biomassa e que pode ser avaliada pela diferença entre os pesos de uma amostra, antes e logo após ser submetida à secagem. É possível apresentar os valores de umidade em base seca ou úmida, conforme seja a condição de referência adotada, como se apresenta nas expressões abaixo.
	Umidade base seca:
Hs = Pu - Ps , avaliada como (kg água / kg material seco)
 Ps
	Umidade base úmida:
Hs = Pu - Ps , avaliada como (kg água / kg material nas condições de trabalho)
 Pu
onde Pu e Ps correspondem respectivamente aos valores de massa de uma mesma amostra de combustível nas condições de queima úmida e seca, que é o estado da biomassa secada em estufa a 150ºC, até apresentar peso constante.
- Poder calorífico: é a quantidade de calor que se libera durante a combustão completa de uma unidade de m assa ou de volume de combustão (kJ/kg ou kJ/m3). Quando não se considera o calor latente de condensação da umidade presente nos produtos de combustão, tem-se o poder calorífico inferior (PCI) e quando esse calor latente é considerado, tem-se o poder calorífico superior (PCS), essa importante observação é mostrada na figura abaixo:
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FIGURA 3.8
De maneira simplificada, pode-se dizer que o PCI refere-se ao calor efetivamente possível de ser utilizado nos combustíveis, enquanto o PCS é em torno de 10 a 20% mais elevado, resultado de sua avaliação em laboratório. Para avaliar o poder calorífico dos combustíveis sólidos de biomassa, a condição mais usual é utilizar uma "bomba calorimétrica", composta de um recipiente no qual se coloca uma amostra de biomassa, se pressuriza com oxigênio e se efetua sua queima, medindo-se o calor liberado pela variação da temperatura da água no vaso onde foi colocada a bomba.
Nos cálculos de rendimento dos sistemas de combustão se podem adotar ambos os tipos de poder calorífico, lembrando que a eficiência referente ao PCI é superior ao valor determinado segundo o PCS. Como o calor de condensação da umidade dos gases é tecnicamente irrecuperável, parece ser preferívelo uso do PCI.
A biomassa está composta em sua maior parte de carbono e hidrogênio, variando muito pouco de um tipo de lenha para outro. A maioria dos tipos tem um conteúdo de cinzas baixo, com exceção da casca de arroz e do bagaço. O conteúdo de carbono é menor que o do carvão mineral ou dos combustíveis derivados de petróleo.
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TABELA 3.12 / FIGURA 3.9 / TABELA 3.13
A energia disponível nos recursos dendroenergéticos apresenta-se sempre na forma de energia química, impondo reações para sua liberação e consequente execução de alguma ação de interesse, como pode ser o cozimento de alimentos ou a geração de vapor. Além disso, existem muitas situações nas quais requer-se a convesão de biomassa, que é um combustível basicamente sólido, em outra forma energética mais homogênea ou que apresente melhor adequação para um uso final desejado. Assim, por exemplo, a sua conversão num combustível gasoso ou líquido permite a geração de energia mecânica em motores de combustão interna.
Os processos de conversão energética da biomassa podem ser classificados em três grupos: processos físicos, termoquímicos e biológicos.
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FIGURA 4.1
Combustão de Biomassa
A queima direta, ou combustão é a tecnologia de conversão mais antiga e mais difundida comercialmente, aplicando-se fundamentalmente para a madeira e para os mais diversos resíduos agroindustriais como o bagaço de cana e a casca de arroz. A biomassa é um combustível rico em voláteis, que constituem quase 3/4 de seu peso. Isto faz com que o processo de combustão transcorra em seis etapas consecutivas bem definidas.
1. Secagem;
2. Emissão dos voláteis;
3. Ignição dos voláteis;
4. Queima dos voláteis em chama;
5. Extinção da chama dos voláteis;
6. Combustão do resíduo de carbono (coque).
Durante o processo de combustão de biomassa, deve ter-se em conta que este processo transcorre primeiramente em uma etapa homogênea (queima dos voláteis) e depois em uma etapa heterogênea (combustão do resíduo de carbono ou coque). 
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FIGURA 4.2
Quando se queima biomassa em leito fixo sobre uma grelha, os voláteis se desprendem e são queimados sobre o leito. Deste modo pode-se estender a conveniência de dividir o fluxo de ar de combustão em duas partes: ar primário, para a combustão do resíduo de coque e ar secundário, para a combustão dos voláteis, como é feito em sistemas industriais. Em alguns sistemas o carbono do combustível (C) se queima no leito somente até CO, concluindo sua combustão até CO2, juntamente com os voláteis. Neste caso, o ar secundário é constituído tipicamente de 83% do ar total. No caso da combustão completa do carbono sobre o leito ou grelha, o ar secundário represente em torno de 67% do ar total.
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FIGURA 4.3 / TABELA 4.1
Resumidamente, a reação de combustão de um combustível com ar pode ser representada segundo o seguinte esquema:
Biomassa + Ar = CO2 + SO2 + H2O + N2 + O2 + CO + H2 + CH2 + fuligem + cinzas
				 1 		 2			 3			4
1. Produtos da oxidação completa: CO2, SO2 e H2O. Como o conteúdo de enxofre da biomassa é sempre baixo, a percentagem de SO2 é quase desprezível.
2. Ar em excesso (N2 + O2) e eventualmente a umidade do combustível e do ar.
3. Produtos gasosos (CO, H2 e CH4) e sólidos (fuligem) de combustão incompleta.
4. Fração mineral não combustível da biomassa (cinzas).
Em termos físico-químicos e com um pouco mais de detalhe, pode-se apresentar a combustão da madeira e, genericamente, da biomassa, como uma sequência de três processos: secagem, volatilização e oxidação, tal como é mostrado na figura abaixo, onde apresenta-se também uma fórmula química aproximada para a madeira seca, CH1,4O0,7 (NUSSBAUMER, 1991). É interessante analisar estas reações, especialmente para determinar o eventual excesso de ar na combustão, fator fundamental para a eficiência dos equipamentos que empregam biomassa.
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FIGURA 4.4
Combustão estequiométrica ou teórica
(neste caso se identifica a propriedade com um expoente "o")
1 kg de biomassa + 
Combustão real
1 kg de biomassa + 
onde:
• - massa de ar teórica ou estequiométrica: é a quantidade de ar teoricamente necessária para a combustão completa de 1 kg de combustível. Calcula-se a partir das reações de combustão dos elementos que compõem o combustível, como será mostrado adiante;
• - massa de ar real: é a quantidade de ar que é necessária nos sistemas reais para a combustão de 1 kg de combustível. Evidentemente que para se produzir uma combustão completa, sempre > , pois a mistura do ar com combustível não é perfeita, e se requer um fornecimento de ar superior ao teórico para que toda a biomassa seja consumida;
• - massa de gases gerados durante a combustão de 1 kg de combustível com ar teórico ou estequiométrico;
• - massa de gases gerados durante a combustão de 1 kg de combustível em condições reais.
Estas quantidades podem ser avaliadas também como volumes de gases; correspondendo respectivamente a , , e , nas condições padronizadas de temperatura e pressão. Tendo em mente que > , análogo ao já comentado para as massas. 
(úmida) = (seca) 
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TABELA 4.2
Um parâmetro muito importante para indicar a condição de combustão é o "coeficiente de excesso de ar", relacionando para um processo de combustão a quantidade real e teórica de ar:
É interessante observar que existe um valor ótimo para este coeficiente, associado ao máximo de eficiência do sistema de combustão (αopt). Se o excesso de ar é maior, ou seja, se α > αopt , aumentam as perdas de calor com os gases de exaustão que saem pela chaminé, e quando existem ventiladores, tem-se um consumo excessivo de eletricidade para movimentar ar e gases em excesso. Por outro lado, havendo falta de ar, ou seja, se α < αopt , aparecem nos gases produtos provenientes de uma combustão incompleta o que representa um desperdício de energia. O valor desejável para o coeficiente de excesso de ar depende do combustível e do sistema de combustão, porém, de uma maneira bastante genérica, recomenda-se para a biomassa αopt ≈ 1,2 para a queima em suspensão e αopt ≈ 1,3 para a queima em grelha, ou seja, respectivamente, 20% e 30% de excesso de ar.
Quando mais O2 ou quanto menos CO2 exista nos gases de combustão, mais elevado é o excesso de ar. Considerando a queima da lenha padrão CH1,4O0,7), na figura abaixo apresentam-se as curvas para a concentração destes gases nos produtos de combustão, avaliados em base seca, ou seja, sem considerar a presença de vapor de água. Em termos práticos, para avaliar o excesso de ar também utilizam-se relações baseadas nas concentrações de CO2 ou de O2 presentes nos produtos de combustão.
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FIGURA 4.5
Na prática observa-se que, mesmo para condições em que há excesso de ar, podem ser notados indícios de combustão incompleta, como a presença de CO, o que depende do projeto aerodinâmico da fornalha e do tempo de residência do combustível na mesma. Em suma, o excesso de ar, determinado com base nas medições das concentrações de CO2 ou de O2 presentes nos produtos de combustão, deve ser mantido ao mais baixo nível possível, até que a presença de fuligem ou de CO indique que há existência de combustão incompleta.
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TABELA 4.3
Na tabela abaixo apresentam-se as equações para o cálculo dos volumes de ar e de produtos de combustão. Nestas equações e em outras apresentadas adiante, as variáveis com sobrescrito "t" se referem ao conteúdo dos diferentes elementos presentes no combustível, em %, base úmida. Os volumes resultantes dos cálculos referem-se às condições "normais", isto é, 1 atmosfera de pressão e 0ºC, ficando expressos em m³ "normal", ou seja Nm³.
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TABELA 4.4
Gaseificação da Biomassa
Basicamente o conteúdo médio dos compostos combustíveis no gás resultante da biomassa é, para o CO entre 9 e 21%, para o H2 entre 6 e 19% e para o CH4 entre 3 e 7%.
Embora o gás produzido possua um podercalorífico relativamente baixo, por volta de 5 MJ/Nm³, e também existam perdas energéticas na gaseificação, em diversas situações a gaseificação a apresenta algumas vantagens em comparação com combustão direta:
- É possível a combustão do gás em fornos e câmaras de combustão de geradores de vapor e motores de combustão interna, projetados originalmente para combustíveis líquidos e gasosos derivados do petróleo, sem grandes modificações no equipamento e sem redução significativa na eficiência. Isto é muito importante quando se pretende converter sistemas convencionais, que utilizam combustíveis fósseis, em sistemas para biomassa.
- A geração de eletricidade em pequena escala pode ser realizada sem a necessidade de um ciclo de vapor, utilizando o gás da biomassa diretamente em um motor de combustão in terna ou, em perspectiva, numa microturbina a gás ou célula a combustível. estes acionadores são interessantes devido a sua simplicidade de operação e manutenção, adequando-se a sistemas isolados, exatamente onde a biomassa energética pode ser eventualmente fornecida a custos competitivos.
- A utilização de biomassa em ciclos combinados com gaseificadores e turbinas a gás, conhecidos como sistemas BIG/GT (Biomass Integrated Gasifier/Gas Turbine), em desenvolvimento, porém com boas perspectivas para os próximos anos, permite a geração de eletricidade com igual ou maior eficiência que durante a geração elétrica com combustíveis fósseis, com um custo de kWh competitivo, mesmo para capacidades em torno de dezenas de MW. Com a utilização desta tecnologia, setores com ampla disponibilidade de biomassa a baixo custo, como é o caso da indústria açucareira e madeireira, poderão ser convertidos também em grandes produtores de eletricidade.
O processo de gaseificação da biomassa pode ser subdividido em várias etapas:
1. Etapa de pirólise ou decomposição térmica (volatilização), que se desenvolve a temperaturas próximas de 600ºC.
2. Oxidação de parte do carbono fixo do combustível, processo que constitui a fonte de energia térmica para a volatilização e gaseificação.
3. Gaseificação propriamente dita, que inclui reações heterogêneas entre os gases e o coque residual, assim como reações homogêneas entre os produtos já formados.
4. Craqueamento do alcatrão - processo de destruição térmica das moléculas dos compostos que formam o alcatrão com a obtenção de CO, CO2, CH4 e outros gases como produtos..
5. Oxidação parcial dos produtos da pirólise.
A seguir apresentam-se as reações químicas mais importantes de cada uma destas etapas:
I - PIRÓLISE
	Biomassa + calor → coque + gases + alcatrão + condensáveis (4.3)
II - OXIDAÇÃO DO CARBONO
	C + ½ O2 ↔ CO (4.4)
	C + O2 ↔ CO2 (4.5)
III - GASEIFICAÇÃO
	• Reações heterogêneas
	C + CO2 ↔ 2CO (Reação de Bouduard) (4.6)
	C + H2O ↔ CO + H2 (Reação de gás de água ou reação carbono-vapor) (4.7)
	C + 2H2 ↔ CH4 (4.8)
	• Reações homogêneas
	CO + H2O ↔ CO2 + H2 (Reação de "deslocamento" da água) (4.9)
	CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 (4.10)
IV - CRAQUEAMENTO DO ALCATRÃO
	Alcatrão + vapor + calor ↔ CO + CO2 + CH4 (4.11)
V - OXIDAÇÃO PARCIAL DOS PRODUTOS DA PIRÓLISE
	(CO + H2 + CH4) + O2 ↔ CO2 + H2 (4.12)
Conclusões importantes:
- A adição de vapor de água no ar de gaseificação, na prática até aproximadamente uns 30%, aumenta o conteúdo de hidrogênio e de monóxido de carbono no gás obtido, como mostram as equações 4.7, 4.9 e 4.10.
- A aumento da pressão favorece a formação de metano, segundo a equação 4.8, por causa da diminuição do número de moles ao se passar dos reagentes aos produtos.
Em algumas situações especiais pode-se gaseificar um combustível sólido utilizando oxigênio puro ou ar enriquecido com este gás, reduzindo assim as perdas de energia (redução do poder calorífico) associadas à presença de gases inertes, como é o nitrogênio, que constitui 79% em volume do ar atmosférico. O gás produzido neste caso apresenta um poder calorífico bastante mais elevado, porém o custo de produção de oxigênio é uma importante limitação econômica desta alternativa.
Pirólise da Biomassa
A proposta básica da pirólise é a degradação térmica da biomassa em ausência total ou quase total de agente oxidante a temperaturas relativamente baixas (500-1000ºC), havendo transformação em outros combustíveis (frações combustíveis sólidas, líquidas e gasosas). O calor requerido pode ser fornecido indiretamente pela combustão de biomassa, porém o produto não resulta desta combustão, mas sim de ação térmica.
A figura abaixo mostra os resultados da análise térmica de uma amostra de bagaço de cana, com um diâmetro médio de partículas de 0,16-0,20 mm, em atmosfera de nitrogênio e com uma velocidade de aquecimento de 10 ºC/min.
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FIGURA 4.7
Neste gráfico podem-se distinguir as seguintes curvas:
1. Temperatura na fornalha T, em K.
2. Termogravimetria (TG): indica a variação da massa da amostra durante o aquecimento.
3. Termogravimetria diferencial (DTG): indica o valor da derivada da curva TG com respeito ao tempo, ou seja, dm/dƬ.
4. Análise térmica diferencial (DTA): registra a diferença de temperatura entre a amostra analisada e alguma outra substância inerte tomada como referência. Indica o efeito energético nas reações, seja exotérmico ou endotérmico.
Assim, pode-se obter informações sobre o mecanismo de destruição térmica dos principais componentes destes materiais (hemicelulose, celulose e lignina), sobre as temperaturas e o efeito energético das reações químicas e sobre a cinética e mecanismos de reação.
Da figura acima, de maneira semelhante ao processo de pirólise da madeira, pode-se chegar as seguintes conclusões:
• conforme a curva DTG, o processo de pirólise do bagaço de cana pode dividir-se nas seguintes etapas características indicadas na figura (as temperaturas referem-se aos valores correspondentes a curva T):
I - (297-373 K) evaporação da umidade;
II - (373-663 K) emissão do primeiro grupo de substâncias voláteis;
III - (663-973 K) emissão do segundo grupo de substâncias voláteis e formação da estrutura do resíduo de coque;
• na segunda etapa do processo de pirólise do bagaço acontece a destruição térmica da hemicelulose e celulose, sendo que nesta etapa a lignina é destruiída parcialmente. O pico intermediário, observado na curva DTG a 598 K, corresponde à máxima velocidade de destruição térmica da hemicelulose e o pico principal, a 623 K, à máxima velocidade de destruição da celulose;
• as etapas I e II do processo de pirólise têm um caráter endotérmico, enquanto a etapa III é exotérmica.
A curva TG permite obter os parâmetros necessários para a descrição quantitativa das reações de pirólise (cinética) atendendo à equação: 
	
onde:
 = fração mássica da substância que já reagiu;
n = ordem da reação;
K = constante da reação que depende da temperatura de acordo com a lei de Arrhenius.
K = Ko e-E/RT
onde:
Ko = coeficiente pré-exponencial ou fator de frequência, 1/s;
E = energia de ativação;
R = constante universal dos gases;
T = temperatura.
A tabela abaixo mostra valores dos parâmetros cinéticos (Ko, E e n) obtidos para diferentes materiais ligno-celulósicos utilizando a técnica da análise térmica. à ordem da reação foi assumida como sendo n=1.
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TABELA4.5
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FIGURA 4.8
TABELA 4.5
TECNOLOGIAS DENDROENERGÉTICAS
Pré-processamento dos Recursos Dendroenergéticos
Nas etapas de pré-processamento, comentadas a seguir, pode-se empregar a redução de tamanho, a densificação ou a secagem, ajustando as características e melhorando o rendimento nos processos de conversão subsequentes.
A. Redução granulométrica
Buscando aumentar a reatividade e a superfície específica dos biocombustíveis sólidos, em algumas ocasiões se torna necessário reduzir a granulometria da biomassa bruta.
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TABELA 5.1
B. Secagem
Alguns tipos de biomassa apresentam umidade muito alta, o que dificulta sua utilização como combustível e reduz a quantidade de energia disponível para conversão em calor. Nos processos de combustão, a umidade evaporada consome parte da energia liberada, que tecnicamente é difícil de recuperar, além de que dificulta a ignição do combustível e diminui a temperatura de combustão. Assim, na maioria dos sistemas de combustão requer-se que o combustível tenha menos de 50-60% de umidade (base úmida), uma vez que, do ponto de vista da redução do consumo da biomassa, quanto menor for a umidade maior a redução.
Para adequar a umidade da biomassa a um processo de conversão determinado, requer-se uma secagem preliminar.
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FIGURA 5.1
A secagem da biomassa pode ser realizada de maneira natural ou por meio de secadores. A secagem natural permite, quando a biomassa é armazenada sob condições adequadas de circulação de ar e clima, atingir, num período de dois ou três meses uma umidade final entre 15 a 20%, em base úmida.
Nestes equipamentos os agentes de secagem mais utilizados são os produtos de combustão da própria biomassa em fornos e caldeiras, que são lançados à atmosfera a temperaturas de 150 a 300ºC.
• Secador rotativo: Este secador, mostrado na figura 5.2, é conhecido na indústria açucareira como secador Rader-Thompson e pode ser empregado para um ampla gama de tipos de biomassa e granulometrias. O secador em si é um tambor ocm ás por todo o perímetro interno, que permitem aumentar o tempo de residência do material em seu interior. A umidade final alcançada para secadores rotatórios operando com bagaço de cana é de aproximadamente 35%.
• Secador pneumático: Neste equipamento a secagem da biomassa ocorre fundamentalmente durante seu movimento por transporte pneumático no duto vertical do secador, mostrado na figura 5.3. Como desvantagem deve-se mencionar que o projeto e a eficiência de operação do mesmo dependem grandemente da granulometria da biomassa.
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FIGURA 5.2 / FIGURA 5.3
• Secador de leite misturado: Este tipo de secador, apresentado por FORSS e MUONIOVARA (1996), acopla-se a combustores de leito fluidizado, utilizando diretamente o calor dos mesmos para a secagem, que ocorre em atmosfera de vapor. Isto permite recuperar o calor latente para o processo a um nível térmico razoável. O aumento da eficiência da planta é de 15%, determinado com base no PCI.
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FIGURA 5.4
C. Densificação
Os elementos de biomassa prensada recebem o nome de pellets ou briquetes, e geralmente têm uma dimensão predominante de 10 a 30 mm e uma densidade que pode chegar desde 1.100 até 1.300 kg/m³. Tipicamente, chama-se pellets aos produtos obtidos por auto-algomeração mediante a ação combinada de calor e pressão, ao passo de briquetes são os produtos de densificação que requerem aglomerantes, como é o caso do carvão vegetal. Os sistemas de densificação mais comuns são mostrados na figura 5.5, e podem ser prensas com acionamento mecânico ou hidráulico ou com matriz em forma de disco ou anular, ou ainda de extrusão (ou de parafuso).
A demanda energética para obter uma adequada densidade influi de forma importante nos sistemas de densificação de alguns resíduos. REED et al. (1980) assinalam que a quantidade de energia requerida para a densificação diminui aproximadamente em até duas vezes se a biomassa é aquecida previamente até uma temperatura de 100 a 230ºC. Além disso, tal fato conduz a um certo aumento do poder calorífico dos pellets, devido à liberação de uma parte de voláteis com baixo poder calorífico.
o consumo de energia de uma instalação de densificação de palha de trigo com prensa de matriz anular é tipicamente de 37 a 64 kWh/t, porém, considerando toda a energia consumida durante a colheita, redução granulométrica e classificação deste material ou indicador mencionado, cresce para 90 a 120 kWh/t (THOMAS, 1980). 
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FIGURA 5.5
COMBUSTÃO DIRETA DA BIOMASSA
A. Sistemas residenciais
Motivadas pelas possibilidades de melhorar as condições de vida e reduzir o consumo de biocombustíveis, sobretudo nas regiões onde estes são poucos disponíveis, diversas instituições têm trabalhado, nos últimos 20 anos, no desenvolvimento de modelos eficientes de fogões para lenha e outros tipos de biomassa, a fim de realizar um aproveitamento mais racional deste combustível. Considera-se que um modelo apropriado de fogão para biomassa deve cumprir as seguintes condições:
• Alta eficiência de combustão e de transferência de calor às panelas.
• Potência térmica suficiente (Segundo MUKUNDA (1993), pelo menos 4kW durante hora e meia).
• Baixo preço e durabilidade.
• Baixa emissão de contaminantes ao meio ambiente (CO e alcatrão).
• Aceitação entre os usuários.
• Fácil fabricação e reparo (utilizar materiais locais).
• Segurança em seu uso (baixo risco de incêndio e queimaduras).
• Fácil acendimento.
• Não suja as panelas.
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FIGURA 5.6
A presença de chaminé é relevante para reduzir os impactos associados à emissão de fumaça e pode ajudar a controlar o excesso de ar, incidindo diretamente sobre a eficiência. Práticas adequadas de culinária, como lavar os legumes antes de seu cozimento e o emprego de tampas nas panelas, assim como usar lenha seca e protegê-la das intempéries, são medidas tão importantes como o projeto do fogão.
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FIGURA 5.7
Para a determinação da eficiência de fogões de biomassa, o método geralmente aceito é o teste de água fervendo (boiling water teste). Neste caso, a eficiência é calculada como a relação entre a quantidade de calor absorvida pela água nas panelas e a quantidade de calor fornecida pelo combustível. A equação de cálculo é a seguinte:
onde:
MH2O = Massa de água nas panelas no início do experimento, kg
C = Calor específico da água, KJ/kg ºC
Te = Temperatura de ebulição, para a pressão no local de utilização do fogão, C
Ti = Temperatura da água no início do experimento, ºC
Mevap. = Massa de água evaporada, kg
L = Calor de vaporização da água, para as condições locais de utilização do fogão, kJ
Mcomb. = Massa de combustível queimado, kg
PCIt = Poder calorífico inferior do combustível, kJ/kg
B. Sistemas industriais (geração de calor de processo)
A combustão direta da biomassa é amplamente utilizada para a geração de calor em diversos processos industriais, empregando-se fornos ou caldeiras. No primeiro caso, os fornos, no geral, requerem temperaturas elevadas, superiores aos 500ºC, por exemplo para a fabricação de produtos cerâmicos, pois oc alor produzido pela combustão deve ser transferido diretamente ao materiais em processo. Já nas caldeiras o objetivo é sempre a produção de vapor, empregado como fonte de energia térmica no processo industrial ou utilizado também para a produção de potência mecânica ou elétrica mediante turbinas a vapor, com o frequente emprego posterior do vapor de exaustão, o que se conhece como a cogeração.
Nos processos industriais é necessário vapor a níveis de pressão relativamente baixos, aproximadamente de 0,2 a 0,4 MPa. Porém, considerando que a elevação dos parâmetros do vapor (pressão e temperatura) permite incrementar a eficiência durante a geração de eletricidade em um ciclo de cogeração, nas caldeiras modernas é comum a produção de vapor a pressões de 7-14 MPa e temperaturas nas faixas de 500-550ºC.
B.1 Grelhas e sistemas de combustão
Para usufruirde uma combustão eficiente, ou seja, de uma queima completa da biomassa empregando a menor quantidade de ar possível, podem ser empregados distintos sistemas, sendo dois os tipos básicos: com biomassa em camada (ou pilha), ou em suspensão.
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TABELA 5.5
Para definir a capacidade máxima da fornalha quando se queima um combustível determinado, os parâmetros mais importantes são a taxa térmica volumétrica (Qv) e a taxa térmica superficial da grelha (Qf), que definem respectivamente a quantidade de calor liberada por unidade de voluma da fornalha ou da superfície da grelha.
Em aplicações de média capacidade, as fornalhas de grelhas inclinadas, com inclinação entre 37 a 55ºC, parecem ser mais interessantes, pois permitem o emprego de ar preaquecido a níveis de temperatura superiores a 300 ºC, o que ajuda a melhorar sensivelmente as condições de combustão. Os sistemas de combustão em suspensão são adotados para capacidades elevadas e sempre que a biomassa é disponível em granulometrias inferiores a 10 mm, como é a situação do bagaço e da serragem
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FIGURA 5.8
B.2 Caldeiras
As caldeiras ou geradores de vapor podem ser basicamente de dois tipos: de tubos de fogo e aquotubulares. No primeiro grupo, também conhecido como cladeiras flamotubulares, os produtos de combustão circulam por dentro dos tubos e cedem sua energia térmica para a água que os rodeia (figura 5.9). Este tipo de caldeira é bastante empregado, embora apresente limites em termos de capacidade de produção que vão até aproximadamente 20 t/h e pressão máxima de vapor de 2,0 MPa. Seus principais campos de aplicação são as pequenas e médias agroindústrias, que demandam vapor saturado quase sempre com pressão inferior a 0,4 Mpa, para fins de aquecimento.
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FIGURA 5.9
Nas caldeiras aquotubulares, a água a ser vaporizada circula pelo interior dos tubos, que recebem calor externamente dos gases resultantes da combustão da biomassa. Nesta concepção é possível obter grandes volumes de vapor, inclusive superaquecido e a pressões elevadas. É geralmente adotada quando a pressão do vapor a ser produzido ultrapassa 2 MPa e a capacidade de geração é superior a 20 t/h.
1. Fornalha: espaço destinado para a combustão dos gases resultantes da pirólise da biomassa que está sobre a grelha. em sistemas de queima de suspensão, a queima do combustível sólido se dá em todo seu volume.
2. Grelha: elemento que suporta o material em combustão, ao mesmo tempo que distribui o ar primário. Este dispositivo garante também a remoção periódica da cinza acumulada sob a grelha.
3. Alimentadores de biomassa: têm a função de fornecer o combustível que vai ser queimado na fornalha, distribuindo-o em uma camada homogênea sobre a grelha. Podem ser mecânicos ou pneumáticos.
4. Paredes de água: são superfícies evaporativas, que cobrem parcial ou totalmente as paredes de fornalha, compostas por tubos pelo interior dos quais a água circula enquanto acontece a sua evaporação.
5. Feixe convectivo: grupo de tubos que se conectam ao tambor superior e ao inferior. É também uma superfície evaporativa, que recebe calor dos gases mediante convecção.
6. Tambor superior: recebe a mistura água-vapor que chega das superfícies evaporativas, realizando a separação do vapor saturado e o fornecimento de água para as superfícies evaporativas, através de tubos alimentadores descendentes.
7. Tambor inferior: serve como coletor- distribuidor da água em evaporação.
8. Superaquecedor: permite converter o vapor saturado em superaquecido, com reduzida perda de pressão. Possui dispositivos para o controle da temperatura do vapor, denominados de atemperadores.
9. Preaquecedor de ar: superfície na qual se dá o preaquecimento do ar que será introduzido na fornalha junto com a biomassa. Utiliza a energia térmica residual disponível nos produtos de combustão.
10. Economizador: é um intercambiador de calor, que preaquece a água de alimentação até a temperatura de saturação, a partir dos gases de combustão.
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FIGURA 5.10
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TABELA 5.6 / FIGURA 5.11
O economizador e o preaquecedor de ar são componentes que não existem necessariamente em todas as caldeiras, porém são interessantes, já que permitem recuperar parte da energia térmica disponível nos gases que vão para a chaminé, e assim reduzir as perdas e elevar a eficiência.
A figura 5.12 mostra o esquema de uma caldeira a vapor moderna para biomassa de 210 t/h de capacidade e parâmetros de vapor 6,6 MPa e 520 ºC (caldeira tipo APU-70-7GI-PSE, da Caldema Equipamentos Industriais Ltda). Trata-se de uma caldeira suspensa ou pendurada com grelha tipo "pinhole" de 7 seções. Possui superaquecedor primário e secundário, passe único no feixe convectivo, preaquecedor de ar primário e secundário; passe único no feixe convectivo, preaquecedor de ar primário e secundário; e economizador aletado. O controle da temperatura do vapor superaquecido é feito por um atemperador venturi situado no coletor intermediário dos superaquecedores primário e secundário. A água utilizada para atemperar o vapor vem de um condensador tipo casco e tubo em U, que condensa vapor saturado extraído do tubulão. A justificativa para usar o condensador é que a água injetada no venturi, por ser um condensado do vapor saturado, tem a mesma pureza do vapor superaquecido a ser atemperado. O fato desta caldeira estar sendo usada para cogeração faz com que nas paletas da turbina a vapor possa acontecer a deposição de sais exigindo-se uma alta pureza do vapor superaquecido. O atemperamento via condensador e venturi constitui a opção mais adequada.
Um aspecto operacional importante na geração de vapor é a qualidade da água, que deve possuir um baixo teor de sais, pois com a evaporação da mesma estes produtos se depositam nas superfícies de troca térmica e podem gerar situações de alto risco. Assim, a água deve ser tratada quimicamente antes de ser introduzida na caldeira e devem ser realizadas extrações periódicas do volume de líquido presente no tambor superior da caldeira. Além disso, adiciona-se reativos químicos no tambor da caldeira a fim de controlar os processos de formação de incrustações e corrosão no interior dos tubos. Os reativos mais utilizados para este fim são os fosfatos e a hidrazina.
B.3 Eficiência de caldeiras
Considerando-se que são conservados os totais de energia e massa envolvidos nos processos de combustão e transferência de calor, a determinação da eficiência na conversão da energia química disponível nos combustíveis em energia potencial do vapor se baseia essencialmente na avaliação dos fluxos de massa e enrgia que ocorrem nos geradores de vapor.
Na figura 5.15 são mostrados os fluxos de massa no volume de controle de uma caldeira. A seguir é apresentada a descrição desses fluxos:
mvs - vapor produzido, kg/s;
La - vazão de ar para a combustão, kg/s;
C - consumo de combustível; kg/s;
ΔL1, ΔL2 e ΔL3 - infiltrações de ar na caldeira, kg/s;
Gcen1 - cinzas retiradas através da grelha, kg/s;
Gcen2 - cinzas retiradas através dos silos do feixe convectivo kg/s;
Gcen3 - cinzas arrastadas com os gases, kg/s;
Daa - vazão de água de alimentação, kg/s;
Dext - vazão de extrações do tambor, kg/s;
Lg - vazão de gases de exaustão, kg/s.
Com estas variáveis pode-se escrever diretamente o balanço de massa para o combustível e gases, assim como para a água e o vapor. Da mesmas forma, conhecendo-se o conteúdo de cinzas no combustível, At , pode-se implementar também o balanço para estes materiais inertes. Na presente análise considera-se que as cinzas saem da caldeira em três pontos: a grelha, os silos do duto vertical de gases, e como cinza volátil, arrastada com os gases. 
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FIGURA 5.15
Balanço de combustível e gases
La + C + 
Balanço de água e vapor
Daa = mvs + Dext
Balanço de cinzas
At C = 
Para realizar o balanço de energia em uma caldeira de vapor pode-se considerar o poder calorífico superior ou inferior do combustível como a energiadisponível. De fato, ambos os parâmetros são empregados. Porém, cabe recordar que, para o poder calorífico inferior, a água presente nos produtos de combustão apresenta-se como vapor, condição típica nos gases em uma caldeira real. Por este motivo, no esquema da figura 5.16, onde são mostrados os fluxos de energia térmica em uma caldeira, e nos balanços subsequentes, será empregado o PCIt . As variáveis neste caso, expressas em kJ/kg de combustível ou unidades de potência são:
- energia que entra no voluma de controle da caldeira, denominada "calor disponível", e associada a vazão e ao poder calorífico inferior do combustível;
Qev - energia absorvida pelas superfícies evaporativas;
Qca - energia absorvida no preaquecedor de ar;
Qec - energia absorvida no economizador;
Qsa - energia absorvida no superaquecedor;
Qp2 - perdas de calor nos gases de chaminé;
Qp3 - perdas de calor por combustão incompleta dada pela presença de gases combustíveis (CO, H2 e CH4) nos produtos da combustão. Na literatura técnica recebem o nome de perdas de calor por combustão química incompleta.
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FIGURA 5.16
Qp4 - perdas de calor por combustão incompleta dada pela presença de carbono e fuligem nas cinzas, denominadas na literatura como perdas por combustão "mecânica" incompleta (refere-se ao fato de estas perdas serem consequência de um processo "mecânico" e físico de arraste de partículas de combustível);
Qp5 - perdas de calor para o meio ambiente, pelas paredes da caldeira;
Qp6 - perdas de calor pelo fato das cinzas serem removidas a alta temperatura;
Hge - entalpia dos gases de exaustão.
A fração do calor disponível aproveitada ou "calor útil" transferido ao vapor pode ser definida como a diferença entre o calor disponível no combustível e as diversas perdas; ou seja:
Observe que Qca não foi incluído como um calor aproveitado, já que constitui uma transferência interna no voluma de controle, ou seja, a energia que se recupera dos gases de escape no preaquecedor de ar é introduzida novamente em forma de ar quente na fornalha. Na tabela 5.7 são apresentados valores indicativos das perdas de calor em caldeiras reais. Considerando as situações extremas, as eficiências de geradores de vapor bem projetados e operados situam-se geralmente entre 65 a 85%, respectivamente para sistemas de pequena e grande capacidade de geração.
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TABELA 5.7
Como a soma do calor utilizado com as perdas sempre é igual ao calor fornecido pela queima do combustível, é possível chegar à eficiência por dois caminhos: através do balanço direto, avaliando-se o efeito útil, ou seja, o calor absorvido pela água para se converter em vapor superaquecido, ou através do balanço indireto, medindo-se ou estimando-se as perdas, que subtraídas do calor liberado pela combustão da biomassa (calor disponível) oferecem como resultado o calor útil.
Por balanço direto:
Por balanço indireto:
O método indireto é mais utilizado, pois permite a determinação da eficiência sem necessariamente impor aferições de fluxo de combustível e de vapor, complicadas especialmente no caso de sistemas de pequeno e médio porte. Geralmente as perdas mais importantes devem-se à energia residual dos gases da chaminé, e são avaliadas por medições da temperatura dos gases e do excesso de ar, que é determinado experimentalmente utilizando analisadores de gases. Estes instrumentos determinam o teor volumétrico dos diferentes componentes nos produtos da combustão.
GASEIFICAÇÃO APLICADA
Poder calorífico do gás produzido
• Gás de baixo poder calorífico - até 5 MJ/Nm³.
• Gás de médio poder calorífico - de 5 a 10 MJ/Nm³.
• Gás de alto poder calorífico - de 10 a 40 MJ/Nm³.
Tipo de agente de gaseificação
• Ar.
• Vapor de água.
• Oxigênio.
Pressão de trabalho
• Baixa pressão (atmosférica).
• Pressurizados (até 3 MPa).
Direção do movimento relativo da biomassa e do agente de gaseificação
• Leito em movimento a contrafluxo com o gás (contracorrente).
• Leito em movimento a fluxo direto com o gás (concorrente).
• Leite em movimento perpendicular ao fluxo de gás (fluxo cruzado).
• Leito fluidizado.
A gaseificação empregando ar é a mais comum e permite produzir gás a mais baixo custo. Contudo, nesta alternativa o gás apresenta um baixo poder calorífico. Quando o gás de gaseificação constitui a matéria-prima para a produção de líquidos derivados de biomassa, devem ser empregados vapor ou oxigênio como agentes de gaseificação. Outro fator que afeta o poder calorífico do gás é a umidade da biomassa, que se recomenda seja menos que 20%.
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TABELA 5.8
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FIGURA 5.17
A. Comparação de gaseificadores
Normalmente, os gaseificadores de leito em movimento (contracorrente e concorrente) são unidades mais simples e baratas do que os de leito fluidizado. Além disso, os gaseificadores de leito a contracorrente apresentam elevada eficiência térmica, apesar do conteúdo relativamente alto de alcatrão no gás, em especial quando a biomassa gaseificada é úmida. Já nos gaseificadores de leito concorrente, o conteúdo de alcatrão é baixo, consequência do craqueamento do alcatrão presente no gás na zona de oxidação. Isto faz com que os gaseificadores de leito concorrente sejam os mais utilizados para biomassa "in natura", como lenha.
Como principais desvantagens dos gaseificadores de leito em movimento destacam-se a necessidade de uniformidade granulométrica da biomassa e a limitação na capacidade. Nestes equipamentos, as dimensões das partículas de combustível devem ser relativamente homogêneas e inferiores a 100 mm, a fim de garantir o movimento descendente da biomassa no interior do reator, ao mesmo tempo que permite a passagem do ar e dos gases. O gaseificador de topo aberto, mostrado na figura 5.18 é uma modificação dos gaseificadores de leito concorrente que, devido ao seu sistema de alimentação, permite utilizar alguns tipos de resíduos agrícolas e industriais como combustível.
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FIGURA 5.18
As limitações de capacidade estão associadas às dificuldades de escalado nos gaseificadores, especialmente nos do tipo concorrente. O diâmetro da garganta na região de oxidação está limitado pela necessidade de alcançar, em toda a seção transversal, temperaturas homogêneas da ordem de 1.400ºC, o que garante alta eficiência no craqueamento do alcatrão. Os gaseificadores a contracorrente, ainda que se caracterizem por produzir um gás relativamente sujo, são de escalado mais fácil, já que não possuem a restrição em relação ao diâmetro da garganta. Por estas razões os gaseificadores a contracorrente têm sido aplicados no fornecimento de energia térmica, seja para aquecimento doméstico ou para aplicações industriais. De acordo com BEENACKERS e MANIATIS (1996), já são várias as firmas que oferecem este tipo de gaseificador na Europa para capacidades de até 10 MWt, com um custo de investimento de 387 US$/kW e um custo de geração térmica de 22,1 US$/MWh. A firma Bioneer já tem instalados 10 gaseificadores a contracorrente de 6 MWt de capacidade para madeira e turfa.
Os gaseificadores de leito fluidizado são considerados mais convenientes para aplicações de alta capacidade, como em sistemas BIG/GT, por causa de sua alta flexibilidade em relação ao combustível (permite utilizar combustíveis de baixa densidade e granulometria fina, como é o caso da maioria dos resíduos agroindustriais), assim como pela facilidade de escalado. Os sistemas pressurizados permitem dispor de instalações mais compactas, embora o sistema de alimentação da biomassa seja mais complicado. Segundo a firma Studsvik, as vantagens da alta pressão são evidentes para instalações de maior potência, na faixa de 50-80 MWe (BLACKADDER et al., 1993). Porém, não existem diferenças significativas entre a composição e poder calorífico do gás produzido em gaseificadores atmosféricos e pressurizados, que utilizam ar como agente de gaseificação (BRIDGWATER, 1995).
Os gaseificadores de leito fluidizado podem ser de leito borbulhante, uma concepçãoclássica atualmente pouco adotada, ou de leito circulante, onde a biomassa arrastada do leito é recuperada em um ciclone e retorna ao próprio leito.
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TABELA 5.9
B. Eficiência de gaseificadores
A figura 5.19 mostra os elementos necessários para estabelecer o balanço de massa e energia em um gaseificador e para a determinação da sua eficiência. Nesta figura e nas próximas equações adota-se que:
mb - fluxo de biomassa que entra no gaseificador, kg/s;
PCIb - poder calorífico da biomassa, kJ/kg;
mg - fluxo de gás produzido na gaseificação, kg/s;
PCIg - poder calorífico do gás, MJ/Nm³;
PCIgi - poder calorífico do gás i, MJ/Nm³;
tg - temperatura do gás, ºC;
ma - fluxo de ar introduzido no gaseificador, kg/s;
mcen - fluxo de cinzas, kg/s;
Qma - calor perdido no meio ambiente, kW;
Ci - concentração volumétrica ou molar do gás i;
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FIGURA 5.19
O poder calorífico do gás pode ser calculado a partir de sua composição volumétrica, pela seguinte equação:
onde referem-se respectivamente às concentrações volumétricas de CO, CH4, C2H4, C2H6 e H2 no gás de biomassa, medidas em porcentagem.
O balanço de massa é expresso pela seguinte equação:
mb + ma = mg + mcen
O balanço de energia pode ser feito contabilizando a energia que entra no gaseificador, que deve ser igual à que sai. Neste caso, a entalpia é a medida da energia térmica por unidade de massa de ar, gás e cinzas:
mg • PCIb + ma • ha = mg • PCIg + mg • hg + mcen • hcen + Qma
Para o gás produzido, a entalpia resulta do efeito dos vários gases que o compõem:
Do balanço de energia surgem dois conceitos importantes: eficiência a frio e eficiência a quente:
Eficiência a frio:
Eficiência a quente:
Ou seja:
Onde:
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FIGURA 5.20
Um parâmetro de operação importante para gaseificadores é a relação ar/combustível, também expressa como fator de ar. Em gaseificadores de leito fluidizado interessa-se também pela velocidade superficial do gás. O significado destes parâmetros são:
• Fator de ar (FA): é a relação entre a quantidade de ar fornecido ao gaseificador por kg de combustível e seu valor estequiométrico. A eficiência a frio, a temperatura do leito e o poder calorífico do gás dependem do valor do fator de ar, como mostra na figura 5.21, para o caso de gaseificadores a leito fluidizado. O valor ótimo do fator ar geralmente está na faixa de 0,20-0,35, o que equivale a dizer que, em um processo de gaseificação, cada kg de combustível requer entre 20 a 35% da quantidade de ar teoricamente necessária para a combustão.
• Velocidade superficial do gás (Vsg): é a velocidade do gás na seção livre do retaor. Em gaseificadores de leito fluidizado borbulhante Vsg ≈ 0,4-0,7 m/s. Em gaseificadores de leito fluidizado circulante Vsg = 8-9 m/s.
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FIGURA 5.21
Um dos pacotes de programas profissionais para a simulação de gaseificadores de leito fluidizado é o CSFB - Comprehensive Simulator for Fluidized Bed Equipment, desenvolvido pelo professor Marcio Souza-Santos da Faculdade de engenharia Mecânica da Universidade de Campinas. como dados, o programa utiliza informações sobre as características da biomassa, sua vazão e as dimensões do gaseificador. O programa calcula o desempenho do gaseificador em regime estacionário utilizando balanços diferenciais de energia e massa ponto a ponto, a cinética das reações químicas, a dinâmica da fluidização e um banco de dados auxiliares para o cálculo das propriedades físico-químicas. A utilização do programa CSFB no projeto de gaseificadores de leito fluidizado permite otimizar parâmetros de operação importantes, tais como a disposição do ponto de alimentação da biomassa, o fator de ar e a altura dinâmica do leito, (altura do leito expandido em regime de fluidização) na base da influência destes parâmetros sobre o poder calorífico do gás, o teor de alcatrão no mesmo e a eficiência do gaseificador (figura 5.22 a 5.25). Os resultados a seguir referem-se ao projeto do gaseificador de 210 kW de potência térmica, mostrado na figura 6.20.
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FIGURA 5.22 / FIGURA 5.23
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FIGURA 5.24 / FIGURA 5.25
C. A qualidade do gás
O gás produto da gaseificação da biomassa contém contaminantes, tais como, particulados sólidos, alcatrão, metais alcalinos, sulfeto de hidrogênio e amônia, que se não forem removidos podem causar graves problemas durante a operação dos equipamentos energéticos que utilizam este gás.
A concentração de contaminantes varia dependendo do tipo de gaseificador (figura 5.26). Os gaseificadores de leito em movimento tipo concorrente caracterizam-se por produzir um gás com menor teor de alcatrão (produto do craqueamento do gás na garganta do gaseificador), enquanto os gaseificadores de leito em movimento tipo contracorrente caracterizam-se por produzir um gás com altos teores de alcatrão. Aos gaseificadores de leito fluidizado, correspondem altos teores de alcatrão e particulados.
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FIGURA 5.26
Comparando-se os teores de contaminantes no gás na saída de diferentes tipos de gaseificadores, com os requerimentos estabelecidos pelos fabricantes para diferentes equipamentos energéticos (tabela 5.10), verifica-se que existe a necessidade de utilização de eficientes sistemas de limpeza do gás (tabela 5.11).
Nos sistemas de pequena capacidade, geralmente, utilizam-se várias etapas de torres de lavagem e/ou lavadores venturi, finalizando o processo com um filtro de areia. Trabalha-se muito no desenvolvimento de filtros cerâmicos para a separação dos particulados do gás de gaseificação a alta temperatura.
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TABELA 5.10 / TABELA 5.11