maquinas aula 1

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MÁQUINAS TÉRMICASMÁQUINAS TÉRMICAS
ATAT--056056
Universidade Federal do ParanáUniversidade Federal do Paraná
Curso de Engenharia Industrial MadeireiraCurso de Engenharia Industrial Madeireira
M.Sc. Alan Sulato de Andrade M.Sc. Alan Sulato de Andrade 
alansulato@ufpr.bralansulato@ufpr.br
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
INTRODUÇÃO:
� Um dos mais importantes campos de estudo no
conjunto das ciências e da tecnologia é, sem dúvida, o
dos “combustíveis” .
Devido ao fato de serem utilizados para “mover” o mundo.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
INTRODUÇÃO:
� Somente com a grande atividade industrial atual
tornou-se possível o crescente fornecimento de
energia, que pode ser utilizada sob a forma
conveniente de energia calorífica, obtida através dos
combustíveis.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
INTRODUÇÃO:
� Existem basicamente três grandes fontes de energia:
� As forças da natureza, tal como a gravidade em
quedas de água, solar e outras,
� Os combustíveis, que podem ser sólidos, líquidos
ou gasosos,
� A energia atômica, libertada de reações nucleares.
� Atualmente, os combustíveis ainda são a mais
importante fonte de energia. Por quanto tempo?
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
DEFINIÇÃO:
� De modo geral, denomina-se combustível como sendo
qualquer substância natural ou artificial que em
combinação química com o oxigênio libere energia
térmica por meio de uma reação exotérmica.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMPOSIÇÃO:
� Os elementos químicos que entram na composição da 
maioria dos combustíveis são:
� carbono,
� hidrogênio,
� oxigênio,
� nitrogênio e
� enxofre.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMPOSIÇÃO:
� A qualidade do combustível é dada pelos elementos
carbono (C) e hidrogênio (H); o enxofre (S), apesar
de combustível, é indesejável, o oxigênio (O) diminui
a quantidade unitária de calor desprendida, pois é
considerado como já combinado com o hidrogênio; o
nitrogênio (N) também não é desejável, pois não
apresenta, no campo da combustão industrial, reação
com oxigênio com liberação de calor.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
UTILIZAÇÃO:
� Para que um material possa ser considerado
industrialmente como sendo “combustível”, são
necessários os seguintes requisitos técnicos e
econômicos:
� Disponibilidade,
� Facilidade de uso,
� Não formação, durante a combustão, de substâncias tóxicas ou
corrosivas,
� Fácil obtenção,
� Baixo custo de produção,
� Segurança no armazenamento e no transporte.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
UTILIZAÇÃO:
� Nos dias atuais, os combustíveis são representados
pelos materiais carbonáceos comumente disponíveis
e que podem ser queimados facilmente ao ar
atmosférico com desprendimento de grande
quantidade de calor e controlável sem grande esforço.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
CONSUMO BRASILEIRO DE ENERGIA:
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
CONSUMO MUNDIAL DE ENERGIA:
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
CONSUMO:
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
CONSUMO DE ENERGIA :
� O consumo de energia no mundo está resumido, em
sua grande maioria, pelas fontes de energias
tradicionais como petróleo, carvão mineral e gás
natural. Esses combustíveis são poluentes, não-
renováveis e a cada dia que passa seus preços
tendem a aumentar.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PREÇO DO PETRÓLEO:
700% ?
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PERSPECTIVAS FUTURAS:
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PERSPECTIVAS FUTURAS:
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PERSPECTIVAS FUTURAS:
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
CLASSIFICAÇÃO:
� Os combustíveis podem ser classificados quanto:
� A sua origem:
� Fósseis e (Não-renováveis)
� Vegetais (Renováveis)
� A sua natureza:
� Natural e
� Artificial.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
CLASSIFICAÇÃO:
� O seu estado físico:
� Sólido,
� Líquido e
� Gasoso.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
CLASSIFICAÇÃO:
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
CLASSIFICAÇÃO:
� Combustíveis Sólidos:
Para que sejam utilizados devem possuir poder
calorífico elevado, alta disponibilidade e que queime
com facilidade.
� Naturais: lenha, casca, turfa, carvão mineral, xisto
� Artificiais: coque, briquetes, carvão vegetal
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
CLASSIFICAÇÃO:
� Combustíveis Líquidos:
Possuem certas vantagens em relação aos sólidos,
tais como poder calorífico mais elevado, maior
facilidade e economia de armazenagem e fácil
controle de consumo.
� Naturais: petróleo bruto.
� Artificiais: produtos da destilação de petróleo,
álcoois e óleos vegetais.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
CLASSIFICAÇÃO:
� Combustíveis Gasosos:
Possuem certas vantagens em relação aos
combustíveis sólidos, tais como: permitir a eliminação
de parte da fumaça e cinzas, melhor controle de
temperatura e comprimento das chama.
� Naturais: gás natural
� Artificiais: GLP, acetileno, propano, butano
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PROPRIEDADES:
� Como visto, cada tipo de combustível em função de
seu estado ou natureza pode apresentar uma grande
diferença em suas propriedades, deste ponto em
diante iremos discutir as principais propriedades dos
combustíveis.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PROPRIEDADES:
� Poder calorífico,
� Composição química,
� Viscosidade,
� Ponto de fluidez,
� Calor latente,
� Ponto de fulgor e
� Umidade,
� Densidade.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PODER CALORÍFICO:
� É a quantidade de energia desprendida por unidade
de massa ou de volume na combustão completa de
um material combustível. Depende basicamente da
composição química de cada combustível sendo
expressa em J/kg, cal/kg, ou J/Nm³.
Existem dois poderes caloríficos:
� Poder Calorífico Superior e
� Poder Calorífico Inferior.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PODER CALORÍFICO:
� Poder Calorífico Superior (PCS):
É a quantidade de calor (energia) liberada quando um
material entra em combustão e os gases da descarga
são resfriados de modo que o vapor de água neles
seja condensado.
� Poder Calorífico Inferior (PCI):
É a quantidade de calor (energia) liberada quando um
material entra em combustão e os gases de descarga
são resfriados até o ponto de ebulição da água,
evitando assim que a água contida na combustão seja
condensada.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PODER CALORÍFICO:
� O PCS é dado por a soma da energia liberada na
forma de calor e a energia gasta na vaporização da
água que se forma numa reação de oxidação.
� O PCI corresponde somente a energia liberada na
forma de calor.
� Para combustíveis que não contenham hidrogênio na
sua composição, o valor de PCS é igual ao do PCI,
porque não há a formação de água e
consequentemente não há energia gasta na sua
vaporização. Assim, o PCS é sempre maior ou igual
ao PCI, pois o PCS. aproveita o a entalpia de
condensação da água
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PODER CALORÍFICO:
� Como a temperatura dos gases de combustão é muito
elevada nas máquinas térmicas, a água contida nelas
se encontra sempre no estado de vapor, portanto, o
que deve ser considerado é o poder calorífico inferior
e não o superior.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PODER CALORÍFICO:
� Determinação do poder calorífico dos combustíveis.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PODER CALORÍFICO:
� Determinação do poder calorífico dos combustíveis.
PCS=(33900*%C)+(141800*(%H-(%O/8)))+(9200*%S)
PCI=PCS-(2440*((9*%H)+%U))
% em Escala absoluta
PCS=Poder Calorífico Superior (KJ/Kg)
C=Teor de Carbono
H=Teor de Hidrogênio
S=Teor de Enxofre
O=Teor de Oxigênio
PCI=Poder Calorífico Inferior (KJ/Kg)
U=Teor de umidade
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PODER CALORÍFICO:
� Determine através das formulas o poder calorífico
superior e inferior do combustível, sabendo que este
apresenta a seguinte composição química:
C=52%
H=6%
O=1%
N=41%
S=0% - (Apenas traços)
U=30% (Umidade base seca)
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PODER CALORÍFICO:
� Construaum gráfico da variação do PCI em função Teor
de umidade (Ubs)
U=20%
U=40%
U=60%
U=80%
U=100%
Calcule o ponto (Ubs) onde a energia contida no combustivel
seria todo utilizado para promover a evaporação da água.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PODER CALORÍFICO:
� Estime a quantidade necessária de combustível
(Ubu=40%) para promover o fornecimento de 250MJ de
energia para um processo onde a eficiência de conversão
é igual a 60%.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PODER CALORÍFICO:
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PROPRIEDADES:
� Composição química (% de C, H, O, N, S e Cinzas):
Carbono e hidrogênio são os elementos que mais
contribuem para o poder calorífico. O oxigênio
presente em combustíveis diminui o poder calorífico,
bem como as exigências teóricas de ar de combustão.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PROPRIEDADES:
� Composição química (% de C, H, O, N, S e Cinzas):
Embora o enxofre seja combustível este traz
conseqüências prejudiciais ao meio ambiente e aos
equipamentos, sendo que os produtos de sua
combustão em presença de umidade formam acido
sulfúrico que tende a atacar as partes mais frias dos
equipamentos, causar "chuva acida” e caso a
atmosfera da combustão seja redutora pode haver
formação de compostos que são perigosos e
produzem mal cheiro.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PROPRIEDADES:
� Composição química (% de C, H, O, N, S e Cinzas):
O Nitrogênio e responsável pela formação de diversos
óxidos que são compostos de alta irritabilidade para
as mucosas alem de reagirem com a camada
atmosférica de ozônio.
As cinzas podem promover mudança nas
características de transferência de calor e problemas
respiratórios (smog).
Legislação vigente quanto a emissões.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PROPRIEDADES:
� Viscosidade (mPas, cP):
É uma indicação da resistência que o fluido
apresentará para escoar, desta forma, quanto maior a
viscosidade, maior será a coesão entre as moléculas
e a resistência ao escoamento. Importante para o
controle de armazenamento, bombeamento e
pulverização para combustão. Graus SAE (Society of
Automotive Engineers), são expressos por dezenas
inteiras, sendo o óleo mais fino ou menos viscoso de
grau igual a 10.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PROPRIEDADES:
� Ponto de fluidez (°C),
Indica a temperatura mínima para que os derivados
de petróleo escoam sem apresentar problemas.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PROPRIEDADES:
� Calor Latente (kcal, J):
Corresponde a quantidade de calor absorvido pelos
corpos na sua mudança de estado, sem que haja
aumento aparentemente de temperatura. O calor
latente necessário à fusão, liquefação ou gaseificação
varia com sua natureza. Na passagem do estado a
substancia não muda de temperatura enquanto dura
sua transformação, e todo calor empregado é
absorvido para produzir mudança de estado.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PROPRIEDADES:
� Ponto de Fulgor (°C):
É a temperatura de inflamação do combustível;
� Coque = 660°C
� Álcool etílico = 402°C
� n-Octano = 220°C
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PROPRIEDADES:
� Umidade (%):
Quantidade de água contida no combustível.
Normalmente encontrada em todos os combustíveis,
principalmente nos sólidos, reduz o poder calorífico.
� Carvão mineral = 10% até 30%
� Lenha = 10% até 80%
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PROPRIEDADES:
� Densidade (kg/m³, g/cm³):
Massa por unidade de volume de um combustível.
� Coque = 1070 kg/m³
� Madeira de Pinus = 450 kg/m³
� Gasolina = 850 kg/m³
� Metano = 0,680 kg/m³
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:
� Pode ser encontrado em diversas formas na natureza
como:
� Turfa,
� Linhita,
� Carvão Mineral,
� Biomassa (Lenha, Bagaço de cana, Serragem,
Casca de arroz e Outros).
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:
� Principais propriedades a serem avaliadas:
� Poder calorífico,
� Composição química,
� Umidade,
� Granulometria,
� Densidade.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:
� Os principais combustíveis sólidos utilizados no mundo
são a lenha e o carvão mineral na geração de energia
no mundo.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:
� Turfa
Se constitui na primeira fase de formação do carvão
mineral. Apresenta elevada umidade, mas secadas ao
ar reduz-se a umidade para cerca de 30%.
� Linhita
Fase intermediária entre o turfa e o carvão
betuminoso. Apresenta teor de umidade entre 30 e
50%, mas quando secada ao ar esta umidade pode
cair para entre 10 e 20%.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:
� Carvão Mineral
Devido ao seu alto teor de cinzas e enxofre o carvão
mineral brasileiro não e muito utilizado industrialmente,
a não ser nas localidades próximas a minas
produtoras na produção de energia e na industria de
cimento.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:
� Classificação do Carvão Mineral
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:
� Composição do Carvão Mineral Nacional
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:
� Biomassa
Provavelmente o primeiro combustível a ser utilizado
pelo homem foi a lenha. E um combustível
amplamente utilizado no Brasil, tanto em aplicações
domésticas como em aplicações industriais para
geração de energia térmica. E caracterizada por baixo
teor de cinzas, ausência total de enxofre e umidade
variável a qual depende do tempo e do método de
armazenagem.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:
� Biomassa
Poder Calorífico da Lenha:
� PCS = 4500 kcal/kg ≈ 18MJ/kg
� PCI 50%Umidade = 1990 kcal/kg
� PCI 35%Umidade = 2770 kcal/kg
� PCI 10%Umidade = 4070 kcal/kg
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:
� Biomassa
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:
� Biomassa
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:
� Os combustíveis empregados são constituídos de:
� Hidrocarbonetos,
� Benzol e
� Álcoois.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:
� Os hidrocarbonetos são usualmente derivados de
petróleo: Gasolina, nafta, querosene, óleo diesel e
óleo combustível e consistem em frações obtidas da
destilação de petróleo. Apenas o óleo combustível é
queimado em geradores de energia industrial;
� Parâmetros avaliados: teor de enxofre, viscosidade,
ponto de fluidez, ponto de fulgor e densidade;
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:
� As característica do petróleo (Fatores geológicos como
localização da jazida, idade e profundidade)
determinam a faixa de extração de cada um dos
componentes.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS GASOSOS:
� Visualiza-se um aumentado da aplicabilidade dos
combustíveis gasosos na industria nacional.
Respondendo a demanda por fontes de energia mais
limpas e eficientes. A limitação de seu crescimento
esta na disponibilidade e distancia dos centres
consumidores pela sua maior dificuldade de
transporte.
Para curto e médio prazo há incertezas sobre o
assunto GN no Brasil.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS GASOSOS:
� Gás Natural é obtido em campos petrolíferos e tem
sido muito explorado recentemente, porem deve ser
transportado por gasodutos, o que dificulta sua maior
utilização dada a necessidade de investimento em
infra-estrutura. É uma composição de diversos gases:
Metano, etano, propano, butano, nitrogênio e dióxido
de carbono são os principais.
Apresenta característica bastante variável.
A presença de enxofre é pequena.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
COMBUSTÍVEIS GASOSOS:
� Gás Liquefeito de Petróleo é obtido no processo de
destilação do petróleo e é um importante combustível,
tanto de aplicação industrial como domestica. É
composto basicamente por propano, propeno, butano
e buteno;
Liquefazem a pressõesrelativamente baixas.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
RESÍDUOS:
� Resíduos e subprodutos:
� Urbanos,
� Agrícolas,
� Pecuários,
� Florestais,
� Agroindustriais.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
RESÍDUOS:
� RESÍDUOS URBANOS
Compreendem os resíduos do lixo e esgoto. Não
apresentam um alto poder calorífico, mas por
apresentar elevado volume em grandes cidades sua
utilização pode ser atraente.
Necessidade de desenvolver tecnologia para
minimizar os impactos ambientais
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
RESÍDUOS:
� RESÍDUOS AGRÍCOLAS
Resultantes da colheita e do processamento de
cultivos. Sua exploração dever ser feita de maneira
racional e são constituídos basicamente pela palha de
diversas culturas.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
RESÍDUOS:
� RESÍDUOS PECUÁRIOS
São constituídos dos excrementos de bovinos, ovinos,
suínos e de aves. Podem ser secos e utilizados para
queima ou para a produção de biogás (decomposição
anaeróbica).
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
RESÍDUOS:
� RESÍDUOS FLORESTAIS
São constituídos dos subprodutos das atividades de
silvicultura ou da fruticultura como: galhos, folhas,
acículas e troncos deixados no campo.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
RESÍDUOS:
� RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS
São provenientes da industrias de transformação de
produtos agrícolas. Os principais resíduos utilizados
são oriundos das seguintes atividades agroindustriais:
indústria de açúcar e álcool, matadouros e frigoríficos,
cortumes, industria da pesca, fábrica de doces e
conservas, indústrias madeireiras, indústria de papel e
celulose. A tecnologia para o usos enérgico dos
resíduos agroindustriais são duas: queima em fornos e
geradores de vapor ou biodigestão anaeróbica.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
DENDROENERGIA:
� A utilização do termo dendroenergia é recente,
contudo a utilização da dendroenergia remonta dos
tempos pré-históricos. O termo dendroenergia hoje é
utilizado para designar a “energia das árvores” e sua
utilização em processos térmicos.
Processos básicos de conversão dendroenergética:
� Combustão de biomassa;
� Pirólise da biomassa
� Gaseificação da biomassa;
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
DENDROENERGIA:
� COMBUSTÃO DE BIOMASSA
A queima direta é a tecnologia de conversão mais
antiga e mais difundida comercialmente;
O processo de combustão da biomassa ocorre em seis
etapas consecutivas: Secagem, emissão de voláteis,
ignição de voláteis, queima de voláteis em chama,
extinção da chama dos voláteis e combustão do
resíduo de carbono (coque).
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
DENDROENERGIA:
� PIRÓLISE DA BIOMASSA
Promove a degradação térmica da biomassa em
ausência total ou quase total de agente oxidante (ar)
havendo a formação de outro combustível (sólido,
líquido ou gasoso). Um caso particular de pirólise e a
carbonização (produção de carvão vegetal), uma
forma lenta de pirólise, pela queima direta da lenha
com pouco oxigênio;
Há tecnologias de pirólise orientadas para obtenção de
alcatrão, acido pirolenhoso, bio-óleos e de gases
combustíveis.
COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
DENDROENERGIA:
� GASEIFICAÇÃO DA BIOMASSA
Neste processo a biomassa é oxidada (queimada)
parcialmente. A gaseificação térmica é semelhante a
pirólise, exceto que a transformação térmica dos
resíduos sólidos é determinada em presença de uma
quantidade limitada de ar ou oxigênio, produzindo
assim um gás combustível. Este gás pode ser utilizado
em caldeiras ou em turbinas/geradores a combustão.
Este processo gera subprodutos sólidos e líquidos.
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COMBUSTÍVEISCOMBUSTÍVEIS
PONTOS COMPLEMENTARES.
NÃO DISCUTIDOS EM AULA.
� MERCADO E DISPONIBILIDADE DE RECURSOS
ENERGÉTICOS.
� COMBUSTÍVEIS ALTERNATIVOS.
� PROCESSOS ALTERNATIVOS.
� POLÍTICAS.