Aula 2 Qualidade da biomassa para energia

Prévia do material em texto

Qualidade da Madeira para 
Energia 
Prof.a Rejane 
2017 
Algumas medidas cúbicas usuais 
Fonte: Dobelmann / www.sesolutions.de, 2004 
= 1 M3 = 1 st = 1 MDC 
Rendimento Gravimétrico x Índice de Conversão volumétrico 
RG(%) = (Massa de Carvão/Massa de Madeira) x 100 
 
Índice de Conversão = Volume de madeira/Volume de carvão 
 Sendo: st/mdc 
 
 1 m³ madeira = 500 kg secos 
 1 st madeira = 350 kg secos ou 450 kg úmido (40% de umidade) 
 1 metro cúbico de cavacos (granel) = 160 a 175 kg secos 
Ex.: 1 m3 de madeira = 2,85 m3 de cavacos 
Cavacos de madeira 
DENSIDADE 
Madeira: 
 Densidade básica: volume saturado 
 Densidade aparente: Paquimetro; volume deslocado (Mercúrio) 
 Densidade real: sem espaço vazios (1,43 a 1,56 g/cm3) 
Carvão vegetal: 
Densidade a granel: Volume conhecido 
Densidade aparente: Método do deslocamento 
Densidade verdadeira: Picnometro 
 
Chapas: 
 Densidade aparente: Método do deslocamento 
 
Partículas: 
 Densidade básica: Volume saturado 
 Densidade a granel 
 
Cavacos: 
 Densidade básica: volume saturado do cavaco 
 Densidade a granel: Considera os espaços vazios 
Qualidade da madeira 
QUALIDADE É UMA COMBINAÇÃO DE CARACTERÍSTICAS 
FÍSICAS, QUÍMICAS E ANATÔMICAS DE UMA ÁRVORE OU 
DE SUAS PARTES QUE PERMITEM UMA MELHOR 
UTILIZAÇÃO PARA DETERMINADO USO FINAL. 
QUALIDADE = ADEQUAÇÃO PARA USO FINAL 
F
o
to
: w
w
w
.s
e
m
e
n
te
s
q
u
a
lity
.c
o
m
.b
r 
Silvicultura baseada em volume 
F
o
to
: 
C
a
s
ir
a
g
h
i,
 2
0
0
7
 
 
Tabela 1. Incremento médio anual, massa seca, massa de lignina, energia 
disponível e massa de carvão vegetal referentes ao diferentes materiais 
genéticos. 
Material 
genético 
IMA 
(m3/ha) 
Massa seca 
(ton/ha.ano) 
Massa de 
lignina 
(t/ha.ano) 
Energia 
(kW.h)/ha.ano 
Massa de 
carvão vegetal 
(t/ha.ano) 
Massa de 
carbono 
(t/ha.ano) 
1 49,1 a 26,9 a 8,1 a 143.678,9 a 8,1 a 13,1 a 
2 43,9 bc 22,3 c 6,7 c 111.388,4 c 6,4 bc 10,7 c 
3 47,0 b 23,4 b 7,5 b 121.310,8 b 6,7 b 11,1 b 
4 40,0 c 21,9 c 7,0 c 112.726,4 c 6,2 c 10,3 d 
 
Fonte: Santos e Carneiro, 2010 
Fonte: Castro e Carneiro, 2012 
Potencial energético de eucalipto para geração de energia elétrica 
a) Poder Calorífico 
 
• É a quantidade de calor liberada na combustão completa de uma 
unidade de massa, expressa em kcal/kg para combustíveis sólidos. 
• Determinação: fórmulas empíricas baseadas na composição elementar, 
bomba calorimétrica (PCS) e Fórmula de Goutal baseada na Análise 
Química Imediata. 
PCI = PCS − [600(9H/100)] 
PCU = [PCI(1 − u)] − (600u) 
Poder calorífico X Densidade x Composição química 
 Fórmula de Goutal: 
kgAV) kcal/ C(PCs  82
 Onde: 
• PCs = Poder Calorífico (kcal/kg) 
• C = Teor de Carbono Fixo (%) 
• V = Teor de Matérias Voláteis (%) 
• A = Coeficiente dado pela Relação V/(V+C) 
A fórmula é válida 
para TMV inferiores 
a 40% (B.S.) 
V/(V+C) A
0,05
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
150
145
130
117
109
103
96
89
80
Valores de A em função da 
Relação V/(V+C) 
b) Densidade da Madeira 
Fatores que afetam a densidade: 
 
 Espécie 
 Idade 
 Posição no tronco 
 Sítio (clima, posição geográfica, solo, etc) 
 Tratos silviculturais 
 Taxa de crescimento 
 Outros 
Efeito da espécie na densidade básica da madeira de eucalipto 
para energia 
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Citriodora
(2004)
Cloeziana
(2004)
Clone HC 344
(2004)
Clone GG100
(2005)
Clone SD 042
(2002)
Clone SD 224
(2002)
Clone SD 144
(2002)
Clone I 953
(2002)
(g
/cm
3)
Fonte: Carneiro, 2009 
Fonte: Muller, et al, 2006 
Tabela 2. Características de algumas espécies de eucalipto à idade de 10,5 
anos, plantadas em espaçamento de 3x2m. 
Tabela 3. Características energéticas da madeira de da casca de diferentes 
espécies de Prosopis - Algarobeira. 
PROPRIEDADE 3 ANOS 5 ANOS 7 ANOS 
DENSIDADE 
MADEIRA (g/cm3) 
0,43 b 0,46 a 0,47 a 
PCS MADEIRA 
(Kcal/ Kg) 
4769,26 A 4694,84 AB 4628,75 B 
RENDIMENTO 
GRAVIMÉTRICO 
(%) 
RGC RGNC 
Carvão 
vegetal 
RGC GNC 
Carvão 
vegetal 
RGC RGNC 
Carvão 
vegetal 
29,4 a 43,02 a 27,58 a 41,30 a 40,72 a 26,83 a 33,20 a 39,26 a 27,53 a 
ANÁLISE 
QUÍMICA 
IMEDIATA (%) 
Material 
Volátil 
Cinza 
Carbono 
fixo 
Material 
Volátil 
Cinza 
Carbono 
fixo 
Material 
Volátil 
Cinza 
Carbono 
fixo 
15,06 a 0,63 a 84,31 a 15,08 a 0,71 a 84,21 a 13,76 a 0,93 a 85,31 a 
PCS - CARVÃO 
(kcal/kg) 
8232,22 B 8490,91 A 8232,22 B 
DENSIDADE 
APARENTE - 
CARVÃO 
VEGETAL (g/cm3) 
0,27 B 0,33 A 0,32 B 
Fonte: Carneiro e Pereira, 2009 
Tabela 4. Propriedades da madeira e carvão de E. urophylla em função da 
idade de corte. Espaçamento: 3 x 2 m. 
Análise Química de Madeira de E. benthamii
66,50
67,12
67,55
30,04
29,20
28,31 4,03
3,68
3,45
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00
3 anos
5 anos
7 anos
Composição (%)
Holocelulose
Lignina
Extrativos
Poder Calorífico Superior de E. benthamii
4758,89
4831,54
4781,69
2000,00 2500,00 3000,00 3500,00 4000,00 4500,00
3 anos
5 anos
7 anos
PCS (kcal/kg)
Fonte: Carneiro e Pereira, 2008 
Cavacos 
Fonte: Carneiro e Pereira, 2008 
Fonte: Mello, 1976 
* 
Tabela 5. Influência da idade na densidade básica da madeira para energia 
Fonte: Frederico, 2009 
Efeito da região na densidade básica da madeira de eucalipto – 
3 anos de idade 
Fonte: Frederico, 2009 
Tabela 6 – Propriedades da madeira de Eucalyptus urophylla no sentido 
medula-casca. 
F
o
n
te: C
arn
eiro
 e P
in
h
eiro
, 2
0
1
3
 
Propriedade 
Posição no sentido medula-casca 
Cerne 
Transição 
Cerne/Alburno 
Alburno 
Densidade básica (kg/m³) 471c 541b 642a 
Diâmetro tangencial dos vasos (µm) 88,82b 93,84b 108,80a 
Frequência dos vasos (vasos/mm²) 11,96a 11,25a 11,23a 
Comprimento das fibras (mm) 0,99b 1,05ab 1,12a 
Largura das fibras (µm) 19,99b 21,36ab 21,85a 
Diâmetro do lume das fibras (µm) 8,58a 8,32a 8,02a 
Espessura da parede das fibras (µm) 5,84b 6,66 a 6,64a 
Fração parede das fibras (%) 58,43a 60,78a 62,52a 
 
F
o
n
te: O
liv
eira e S
ilv
a, 2
0
0
3
 
F
o
n
te: G
O
N
Ç
A
L
V
E
S
, F
.G
..et al. 
Tabela 7. Teor de lignina, Densidade básica e Poder calorífico de 
 diferentes espécies de Eucalyptus. 
Plantios adensados 
Dados: 
- Clone: (E. grandis x E. camaldulensis) 
- Local: Itamarandiba-MG. 
- Inicio: 2002  (2006 e 2008) 
Densidade
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
3,0 x 0,5 3,0 x 1,0 3,0 x 1,5 3,0 x 2,0 3,0 x 3,0
Espaçamento (m)
(g
/c
m
3 )
47 meses
61 meses
Fonte: Carneiro & Nogueira, 2008 
0
50
100
150
200
250
3,0 x 0,5 3,0 x 1,0 3,0 x 1,5 3,0 x 2,0 3,0 x 3,0
Espaçamento (m)
Vc
c 
(m
3 /h
a)
47 meses 61 meses
Massa seca (t/ha)
0
20
40
60
80
100
120
140
3,0 x 0,5 3,0 x 1,0 3,0 x 1,5 3,0 x 2,0 3,0 x 3,0
Espaçamento (m)
(t/
ha)
47 meses
61 meses
Energia/ha
0
100
200
300
400
500
600
3,0 x 0,5 3,0 x 1,0 3,0 x 1,5 3,0 x 2,0 3,0 x 3,0
Espaçamento (m)
kc
al
.1
03
/h
a
47 meses
61 meses
IMPORTÂNCIA DA DENSIDADE DO CARVÃO VEGETAL 
Dados Carvão vegetal 1 Carvão vegetal 2
Carbono fixo (%) 75 75
Densidade a granel (kg/m3) 210 230
Preço R$/MDC 100 100
Consumo de Carbono fixo por tonelada de gusa - 430 kg
Estudo de caso: 
DADOS Carvão vegetal 1 Carvão vegetal 2 
Consumo de CV por tonelada de gusa 2,73 MDC/t gusa 2,49 MDC/ t gusa 
Custo com CV por tonelada de gusa (R$) 273 249 
Ex.: Empresa com produção mensal de 10.000 t 
gusa usando o CARVÃO VEGETAL 2 QUALIDADE + R$ 24 /t gusa 
LUCRO MENSAL = R$ 240.000,00 
 Maior energia armazenada por unidade de volume 
 Reduz os custos de colheita e transporte, em função do menor volume 
 Aumento na capacidade de produção dos fornos 
 Redução de mão-de-obra 
Fonte: Alencar, et al, 2002 Fonte: Carneiro & Pereira, 2008 
Densidade Madeira x Densidade Carvão
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
3 5 7
Idade
g/
cm
³
A densidade da madeira afeta a capacidade 
de produção das praças de carbonização 
 Carvão mais denso 
 Maior massa de Carbono fixo e energia por volume 
 Carvão menos friável e quebradiço  mais resistente 
 Reduz custos de transporte  mais massa por unidade volume 
 Maior rendimento gravimétrico  redução de finos 
 Maior produtividade dos fornos  Maior aproveitamento do 
volume dos fornos 
 Aumenta o tempo de carbonização 
Características do carvão produzido com madeira densa 
c) Composição Química Estrutural 
MADEIRA: 
 
 Diversos componentes químicos 
Polímeros difíceis de serem isolados sem alterações significativas 
 Constituídos de polímeros de alto peso molecular 
 Diferentes temperaturas de degradação 
COMPONENTE CONÍFERA (%) FOLHOSA (%) 
CELULOSE 40-45 40-45 
HEMICELULOSE 
Glucomananas 20 5 
xilanas 10 25-30 
LIGNINAS 25-30 20-32 
EXTRATIVOS 3-10 1-10 
CINZAS < 1 < 1 
Fonte: Cortez. et al, 2006 
Tabela 8. Composição elementar de diferentes biomassas 
Fonte: Cortez. et al, 2006 
Inorgânicos 
Alguns inorgânicos 
- Potássio, cálcio, Magnésio, manganês, sódio, fósforo, cloro, etc... 
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
200 300 400 500 600
Temperatura (
o
C)
Fr
aç
ão
 M
ás
si
ca
 (k
g/
kg
)
Lignina
Celulose
Hemicelulose
Eucalipto
Fonte: Raad, 2004 
Lignina Rendimento em carvão e carbono fixo 
Comparação entre TG dinâmica da carbonização dos componentes do eucalipto 
Representação das curvas termogravimétricas (TGA) e 
termogravimetria derivada (DTG) da madeira 
Fonte: Melo, 2013 
Quando incia a queima dos gases da carbonização? 
Fonte: Melo, 2013 
 - Quando a massa de água for menor que a massa dos gases 
combustíveis: ocorre após a etapa de secagem da madeira e após a 
degradação das hemiceluloses! 
Temperatura de copa: 260oC 
Temperatura saída dos gases: 110oC 
Fonte: Garcia, 2010 
Eucalipto 
Pinus 
http://www.cebio.net/web/ 
http://www.enplus-pellets.eu/pellcert/ 
-20
-10
0
10
20
30
40
50
26 61 117 170 222 275 327 382 429 479
Temperatura (°C)
DT
A 
(u
V)
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
TG
 (%
)
TG
DTA
Termograma e DTA da madeira para o material genético 2. 
Material 
genético 
Perda de massa (%) 
Massa 
residual 
25o-100oC 100o-200oC 200o-300 oC 300o-400 oC 400o-500 oC 
1 6 0 16 53 14 11 
2 8 0 16 53 14 9 
3 7 0 19 54 16 4 
4 8 1 17 52 16 6 
Tabela 9. Perda de massa (%) dos diferentes materiais genéticos em 
função das faixas de temperaturas. 
Fonte: Santos e Carneiro, 2010 
y = 0.508x + 23.093
R2 = 0.9279
34.50
35.00
35.50
36.00
36.50
37.00
37.50
38.00
38.50
22 23 24 25 26 27 28 29 30
LIG (%)
RG
C 
(%
)
Efeito da lignina no rendimento gravimétrico em carvão vegetal e 
carbono fixo 
y = 0.3698x + 18.048
R2 = 0.9164
26.00
26.50
27.00
27.50
28.00
28.50
29.00
29.50
22 23 24 25 26 27 28 29 30
LIG (%)
RC
F (
%)
Fonte: Trugilho, 2008 
Lignina 
RGCV e RGCF 
Fonte: Brito e Barrichelo, 1988 
0
1
2
3
4
7 8 9 10
Material genético
Relação Siringil/guaiacil
b
c
a
ab
Relação siringil/guaiacil da madeira de diferentes clones de 
eucalipto 
Fonte: Santos e Carneiro, 2010 
Fonte: Gomide, et al, 2005 
Relação S/G Rendimento 
Material genético 
Composição elementar da madeira (%) 
C N H S O 
1 48,8 a 0,20 a 6,68 a 0,12 a 44,21 b 
2 48,04 ab 0,17 ab 6,44 a 0,09 a 45,27 ab 
3 47,53 b 0,15 b 6,32 a 0,08 a 45,93 a 
4 47,23 b 0,16 ab 6,51 a 0,08 a 46,02 a 
 
Rendimento gravimétrico em carbono fixo 
0
5
10
15
20
25
30
35
1 2 3 4
Material genético
(%
)
a b b b
Fonte: Santos e Carneiro, 2010 
TABELA 11. Composição elementar da madeira dos diferentes clones de eucalipto 
d) Composição Química Elementar 
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Temperatura x Composição Elementar
C
H
O
Rendimento peso carvão/peso 
madeira (%)
Temperatura
%
Tabela 12 - Influencia da umidade no poder calorífico da madeira 
Umidade da madeira < 30% 
Tempo de secagem: > 90 dias 
 Dimensão, espécie, época do ano e outros 
Umidade (%) Energia disponível 
(Kcal/Kg) 
Energia para 
secar (Kcal) 
Saldo energético 
(kcal/Kg) 
0 4904,3 - 4904,3 
20 3827,7 117,2 3710,5 
50 2392,3 291,8 2100,5 
80 956,93 466,50 490,43 
f) Teor de umidade 
 carvão friável e quebradiço 
 elevação do teor de fino durante o manuseio e transporte 
 fendilhamento no carvão, devido aumento da pressão de vapor por 
ocasião da transformação da madeira em carvão vegetal 
 menor rendimento gravimétrico; reduz tempo de carbonização e 
número de fornos 
 Ajustes no processo = variação da umidade 
 Cerne quebradiço 
 
Características do carvão produzido com madeira úmida 
Torrefação da biomassa para fins energéticos 
Fonte: Rodrigues & Rousset, 2009 
Tabela 13. Propriedades de madeira da madeira de eucalipto após torrefação 
Biomassa torrificada. Fonte: Santos, 2012 
Fonte: Rodrigues, 2009 
Ganhos (%) de PCS e CF após torrefação 
 Redução na áreas plantadas 
 Redução no consumo de madeira 
 Eficiência de conversão energética 
 Redução de emissões nos processos 
de conversão 
 Redução nos custos 
Ganhos com a melhoria da qualidade da madeira 
http://www.drax.com/ 
http://www.biomassenergycentre.org.uk/portal/pa
ge?_pageid=76,15068&_dad=portal&_schema=P
ORTAL 
http://www.proforest.net/en/training-
events?event_language=English