1 torrefação

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Albina Ribeiro
Tecnologias da Biomassa 
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Tecnologias da Biomassa
2019/2020
Albina Maria de Sá Ribeiro
MESTRADO EM ENGENHARIA QUÍMICA
Albina Ribeiro
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O que é a torrefação?
A torrefação é um processo térmico de transformação da biomassa, em
que esta é aquecida lentamente, em ambiente inerte ou na presença de
uma pequena quantidade de oxigénio, até uma gama de temperatura entre
200 – 300 ºC. Fica neste patamar o tempo necessário para que sofra uma
degradação quase completa do seu conteúdo em hemicelulose,
maximizando os rendimentos energético e mássico do sólido final.
Usa-se uma rampa de aquecimento lenta, para favorecer a formação do
sólido (menor do que 50 ºC.min-1).
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Torrefação
Gamas de temperatura de torrefação sugeridas por diferentes autores (Basu, 2018).
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Variações na massa e na energia de uma biomassa que é sujeita a torrefação 
(Basu, 2018).
Torrefação
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A biomassa passa por vários estágios de aquecimento até atingir a temperatura de
torrefação. Os estágios que se podem identificar num processo de torrefação num
reator batch são os seguintes:
• Pré-secagem – a biomassa é aquecida até ao ponto em que a sua humidade
começa a evaporar (⁓ 100 ºC);
• Secagem – a biomassa perde a sua humidade (processo a temperatura
constante);
• Pós-secagem – a biomassa precisa de ser aquecida até à temperatura de
torrefação (200 ºC);
• Torrefação – a biomassa sofre alterações na sua estrutura e é aquecida até 250 –
300 ºC;
• Arrefecimento - o sólido torrificado tem de ser arrefecido até temperaturas mais
baixas.
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Torrefação de um ramo de “maple tree” ao qual foi retirado a casca (intervalos de 1 h) 
(Basu, 2018)
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Variações na temperatura e na massa da biomassa quando sujeita a torrefação 
(Basu, 2018).
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Variação da energia consumida quando a biomassa é sujeita a torrefação (Basu, 2018).
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Pré-secagem
A biomassa é aquecida desde a temperatura ambiente até à temperatura de
secagem (~100 ºC). A potência térmica necessária é Qpd:
Cpw – calor específico da biomassa numa base total (J.kg-1.K-1)
Mf – massa da biomassa numa base total (kg)
To – temperatura da alimentação (ºC)
hupd – fator de utilização energético (-)
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Secagem
É a etapa que necessita de maior potência térmica durante a torrefação
(Qd):
L – calor latente de vaporização da água a 100 ºC
Mf – massa de biomassa numa base total (kg)
M – humidade da biomassa numa base total (-)
hud – fator de utilização energético (-)
Torrefação
f
d
ud
L M M
Q
h
=
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Pós-secagem
Após secagem, a biomassa precisa de ser aquecida até à temperatura de
torrefação (acima dos 200 ºC). A potência térmica requerida neste
estágio é:
Cpd – calor específico da biomassa seca (J.kg-1.K-1)
hu,pdh – fator de utilização energética (-)
Tt – temperatura de torrefação (ºC)
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Torrefação
O estágio da torrefação é o mais importante, porque é onde se dá a
despolimerização da biomassa. O grau de torrefação depende da
temperatura de reação e do tempo que a biomassa é sujeita ao processo
(tempo de residência no reator ou tempo de torrefação).
O tempo de torrefação começa quando a biomassa atinge 200ºC. A
torrefação é um processo ligeiramente exotérmico na gama de 250-300ºC,
mas requere fornecimento de calor para compensar as perdas térmicas que
ocorrem no reator.
Torrefação
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A potência térmica necessária na zona da torrefação é:
Hloss – potência térmica perdida para o exterior (W)
Xt – parâmetro que determina a potência térmica absorvida durante a
torrefação (J/kg de produto) *
* É positivo para reações de torrefação endotérmicas e negativo quando as reações são
exotérmicas
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Arrefecimento
Antes de deixar o processo, a biomassa deve ser arrefecida até
temperaturas que tornem seguro o seu manuseamento. A potência
térmica necessária no arrefecimento é:
Cpt – calor específico da biomassa torrificada (J.kg-1.K)
MYdb – rendimento em massa numa base seca (-)
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As variações que ocorrem na biomassa durante a torrefação podem ser
divididas em várias etapas:
 Regime A (50 - 120ºC): perda de humidade na biomassa, sem variação
da composição química.
 Regime B (120 – 150ºC): só se fala neste regime se existe lignina que
sofre amolecimento.
 Regime C (150 – 200ºC): há alteração da estrutura da biomassa, que
não pode ser recuperada, mesmo se houver hidratação. Inicia-se a quebra
das ligações de hidrogénio e de carbono e a despolimerização da
hemicelulose. Os polímeros curtos condensam dentro da estrutura sólida.
Mecanismos da torrefação
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 Regime D (200 -250 ºC): junto com o regime E, constitui a zona de
torrefação para a hemicelulose. Há desvolatilização e carbonização
limitada dos sólidos formados no regime C. Resulta na quebra da maioria
das ligações inter e intramoleculares do hidrogénio e ligações C-C e C-O,
havendo a formação de líquidos condensáveis e de gases não
condensáveis.
 Regime E (250-300ºC): Decomposição extensa da hemicelulose em
voláteis e produtos sólidos. A lignina e a celulose sofrem somente uma
desvolatilização e uma carbonização limitada. A estrutura celular da
biomassa fica completamente destruída, resultando um sólido quebradiço
e não fibroso.
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Produtos que se formam na torrefação da biomassa (Basu, 2018).
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Produtos da torrefação incluem carbono, água, dióxido de carbono,
monóxido de carbono, ácido acético, metanol e ácido fórmico.
A formação do CO2 é devida às reações de descarboxilação. O ácido
acético provém da decomposição dos grupos acetilo pendentes na
celulose. O CO é, principalmente, o produto da reação entre o CO2 e o
vapor de água contido nos poros da biomassa.
Embora na torrefação seja a hemicelulose que sofre as maiores
alterações, também se verificam degradações a nível da celulose e da
lignina.
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Rendimento em massa
Rendimento em massa da biomassa torrificada numa base seca e isenta de
cinzas:
Rendimento em massa da biomassa torrificada numa base seca:
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Rendimento em massa da biomassa torrificada numa base tal e qual:
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Densidade energética
Densidade energética da biomassa torrificada – energia libertada quando 
uma massa unitária de produto torrificado é queimada e os seus produtos 
são arrefecidos (J.kg-1)
(A densidade energética também pode ser definida com base no volume)
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Rendimento energético
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Parâmetros que influenciam o dimensionamento do equipamento
de torrefação:
 Temperatura
 Tempo de residência
 Tipo de biomassa
 Tamanho das partículas da alimentação
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Temperatura
O rendimento em massa do sólido obtido diminui com o aumento da temperatura 
(Basu, 2018).
Torrefação
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O rendimento energético do sólido diminui com o aumento da temperatura 
(Basu, 2018).
TorrefaçãoTemperatura
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O aumento da temperaturaconduz a um aumento da densidade
energética, a um aumento do carbono fixo e a uma diminuição do teor
em oxigénio e hidrogénio.
TorrefaçãoTemperatura
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Variações de temperatura num cilindro com 22 mm de diâmetro de madeira de álamo e 
respetiva perda de massa (Basu, 2013).
TorrefaçãoTemperatura
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Tempo de residência e rampa de aquecimento
A torrefação é caracterizada por baixas rampas de aquecimento, inferiores
a 50 ºC.min-1. O tempo de residência* é da ordem de múltiplos de 10 min.
Tempos de residência mais longos conferem rendimentos em massa mais
baixos e maior densidade energética.
O efeito da temperatura é mais predominante do que o do tempo de
residência.
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(*tempo de residência = tempo que dura a torrefação, à temperatura de torrefação)
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Influência do tempo de residência no rendimento energético e no rendimento da 
fase sólida (Basu, 2018).
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Tipo de biomassa
Torrefação
(Basu, 2013)
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Torrefação de madeira dura conduz um rendimento em massa mais baixo
do que o da madeira macia. Isto porque as xilanas (componente ativo da
hemicelulose), constituem cerca de 80-90% na madeira dura, enquanto
na madeira macia é de apenas 15-30 %.
As xilanas da hemicelulose são o componente mais reativo na gama de
temperatura da torrefação, e degradam mais rapidamente do que os
outros constituintes da biomassa.
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Tamanho das partículas na alimentação
A torrefação envolve transferência de calor por convecção do reator para
a superfície da partícula, condução para o interior da partícula e a reação
dentro da partícula.
Número de Biot da partícula:
h – coeficiente de transferência de calor (W.m-2.K-1)
rp – dimensão característica da partícula (m)
S – área da superfície exterior da partícula (m2)
V – volume da partícula (m3)
λ – condutibilidade térmica da biomassa (W.m-1.K-1)
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Número de pirólise da partícula:
Cp – calor específico da partícula (J.kg-1.K-1)
K – constante de velocidade da reação da torrefação (s-1)
ρ – massa volúmica da partícula (kg.m-3)
Se o Bi for suficientemente pequeno, a resistência interna à condução é
desprezável, o Py é muito alto, e a reação é controlada pela cinética. Para
partículas grandes, o Bi é elevado e o Py baixo. Assim, a torrefação é
controlada pela transferência de calor por condução, e atinge-se uma
maior temperatura no interior da partícula.
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Grau de torrefação
O grau do processo de torrefação pode ser classificado como:
Torrefação leve: temperaturas entre 200 a 240ºC ou 230ºC, só a
hemicelulose se degrada, não há alterações a nível da lignina e da celulose
Torrefação média: temperaturas de 240 a 260ºC, ou cerca de 250ºC e a
celulose é ligeiramente afetada.
Torrefação severa: temperaturas na gama 260 - 300ºC ou 275ºC,
caracterizada por despolimerização da lignina, celulose e hemicelulose
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Na torrefação severa produz-se um sólido com elevada densidade
energética e há as maiores perdas de massa e energia.
Na torrefação leve, o resíduo sólido retém o máximo da massa e da
energia, mas a densidade energética é baixa.
A escolha do grau de torrefação depende das especificações do produto
final e é influenciado pela temperatura e pelo tempo de residência.
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Propriedades físicas da biomassa torrificada
Massa volúmica real:
Massa volúmica aparente das partículas:
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Massa volúmica aparente do leito:
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• Depois da torrefação, os sólidos tornam-se mais porosos, a massa
volúmica baixa, dependendo da massa volúmica da biomassa inicial e
das condições de torrefação.
• A densidade energética da biomassa torrificada aumenta em relação à
biomassa.
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Massa volúmica aparente de amostras de eucalípto sujeitas a 
temperaturas diferentes (Basu, 2018).
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Humidade da biomassa torrificada: 1 – 3%, dependendo das condições de
torrefação.
Vantagens:
• Um teor de humidade baixo beneficia um posterior processamento;
• Redução dos custos de transporte;
• Previne a decomposição da biomassa a a absorção de humidade durante
o armazenamento e o transporte.
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Hidrofobicidade da biomassa torrificada
A presença de humidade num combustível tem vários inconvenientes:
 Aumenta a possibilidade do desenvolvimento de fungos
 Reduz o seu poder calorífico
 Aumenta o custo do transporte e manuseamento da matéria prima
A biomassa é higroscópica por natureza e, mesmo depois de ser seca,
absorve humidade. Do ponto de vista energético torna-se caro evaporar a
humidade durante um processo de combustão ou de gasificação.
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A torrefação pode resolver estes problemas:
 a etapa de secagem pode reduzir o teor de humidade de 10 – 50% para
1-5%;
 após a torrefação, a biomassa torna-se hidrofóbica, absorvendo muito
pouca humidade (porquê?);
 a biomassa torrificada pode ser armazenada sem sofrer degradação
biológica.
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A biomassa pode ser bastante fibrosa e também, devido à sua natureza
plástica, pode ser difícil de triturar.
A torrefação resulta na quebra completa da estrutura da biomassa,
tornando as partículas frágeis e menos fibrosas.
Parâmetros que influenciam a torrefação como temperatura, tempo de
residência e tamanho original das partículas, desempenham um papel na
redução da energia necessária para triturar as partículas até à dimensão
pretendida.
Possibilidade de trituração
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Energia gasta na trituração de faia em função do tempo de torrefação e da 
temperatura (Retsch ZM1 ultracentrifugal mill) (Tumuluru et al, 2011).
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Potencial de explosão de pó torrificado
A explosão de pós é um grande problema no manuseanamento e
transporte de pós finos, especialmente de materiais facilmente
inflamáveis.
A torrefação torna a biomassa frágil e pode resultar na formação de pó
durante a sua manipulação, havendo o risco de explosão.
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Densificação ou formação de “pellets”
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Classificação dos reatores de torrefação:
1 – Classificação quanto ao modo de aquecimento
Reatores de aquecimento direto
reatores convectivos (leito móvel, leito fixo, leito arrastado)
reatores de leito fluidizado
reatores hidrotérmicos
Reatores de aquecimento indireto
tambor rotativo
parafuso ou eixo estacionário (“screw ou stationary shaft”)
microondas
2 – Classificação segundo o modo de mistura gás-sólido (“gas-solid mixing”)
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A transferência de calor para as partículas da biomassa pode dar-se por
um dos seguintes meios:
• Convecção gás-partícula
• Condução entre a parede e a partícula
• Aquecimento eletromagnético da biomassa
• Transferência de calor partícula-partícula
• Transferência de calor líquido-partícula
Classificação quanto ao modo de aquecimento
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Reatores de contacto direto:
 A biomassa é aquecida por contacto direto com um meio quente;
 O meio de aquecimento pode ser um gás inerte ou contendo uma
quantidade limitada de oxigénio (2 a 3%) ou sólidos quentes não
reativos.
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Reatores convectivos
O meio de aquecimento é um gás quente que percola ou escoa através das
partículas de biomassa, que se encontram estacionárias ou em movimento
Reator de leito fixo - as partículas estão fixas relativamente às paredes
do reator.
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Reator de leito móvel – as partículas movem-se relativamente às
paredes do reator (a parede do reator pode ser horizontal, vertical ou
inclinada).
• As partículas podem mover-se por ação da gravidade, pela força de
um dispositivo mecânico como um disco rotativo ou pelo movimento
vibratório de uma correia.
• A transferência de calor ocorre através de conveção gás-sólido e
depende da velocidade relativa entre a biomassa e o fluido quente.
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Reator de leito móvel (Basu, 2018).
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Multiple hearth furnace (reator de leito móvel) (Basu, 2018).
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Reator de leito móvel (Basu, 2018).
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Reator de fluxo arrastado (entrainment flow type reactor) – a
biomassa finamente moída é arrastada por gás quente inerte ou
contendo uma pequena quantidade de oxigénio.
• As partículas atingem rapidamente a temperatura de torrefação
devido ao elevado coeficiente de transferência de calor entre as
partículas finas de biomassa (como serrim) e o gás que as transporta.
• O tempo de residência no reator é curto.
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Torrefação
Reatores de leito fluidizado – um gás inerte, em escoamento ascendente, passa
através de um leito de sólidos granulares que transportam calor (exemplo: areia),
de modo que o leito se comporta como um fluido. Estas partículas estão em
constante agitação e podem aquecer facilmente partículas de biomassa que caiam
no leito.
Secção de um reator de leito fluidizado (Basu, 2018).
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Reatores de aquecimento indireto:
• O meio que transporta o calor não contacta diretamente com a
biomassa.
• O calor é transferido através de uma parede ou por radiação
eletromagnética.
• O meio de aquecimento pode ser qualquer fluido.
• É fácil evitar o contato com o oxigénio (não há combustão durante a
torrefação).
• Os voláteis provenientes da torrefação podem ser queimados
separadamente e usados no aquecimento do reator.
• Pode haver um aquecimento não uniforme da biomassa, resultante de
gradientes térmicos que podem aparecer.
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Reator de tambor rotativo - usa um tambor rotativo onde a biomassa é
indiretamente aquecida por um gás quente que passa na parede do tambor.
• A atmosfera em contacto com a biomassa é inerte.
• A transferência de calor das paredes do reator para as partículas é que
controla o processo de torrefação.
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Reator de tambor rotativo (Basu, 2018).
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Reator de parafuso – o reator é estacionário, podendo ser vertical,
horizontal ou inclinado, com uma secção transversal circular ou
retangular.
• O aquecimento está colocado na parede exterior do reator.
• Um parafuso giratório mistura e move a biomassa através do reator
para aumentar a transferência de calor entre a parede e a biomassa e, ao
mesmo tempo, movimenta a biomassa ao longo do comprimento do
reator.
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Reator de parafuso (Basu, 2018).
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Reator de micro-ondas - usam-se microondas na frequência de 2,45
GHz. A irradiação por microondas produz um aquecimento interno
eficiente por interação direta de energia de radiação com as moléculas de
biomassa.
A componente elétrica da radiação eletromagnética provoca aquecimento
por dois mecanismos principais: polarização dipolar e condução iónica.
O aquecimento depende da capacidade que a biomassa tem de absorver
as microondas e convertê-las em calor.
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Reator de micro-ondas (Basu, 2018).
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Classificação segundo o modo de mistura gás-sólido
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• Escoamento pistão (plug flow): o gás percola através de sólidos
estacionários; os sólidos e o gás movem-se numa direção.
• Back-mixing parcial: leito fluidizado, onde o movimento do gás é
unidirecional, mas os sólidos sofrem back-mixing.
• Tumbling: os sólidos movem-se num tambor rotativo.
• Entrained: os sólidos são arrastados pelo gás (por transporte
pneumático).
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Dimensionamento de uma instalação de torrefação 
 Escolha do tipo de reator
 Tratamento da biomassa: corte, trituração, secagem
 Torrefação
 Arrefecimento
Valores da energia envolvida:
 Corte de madeira: 180 – 2300 kJ/kg madeira
 Trituração: 270 – 450 kJ/kg de alimentação
 Secagem de madeira em bruto: 3000 – 9000 kJ/kg de água removida
 Torrefação de madeira seca: 130 – 350 kJ/kg de madeira torrificada
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Escolha do tipo de reator: ter em consideração qual o tipo de reator que 
oferece melhor rendimento e os custos de capital envolvidos.
No dimensionamento da instalação, avaliar as seguintes fases:
 Secagem da matéria prima;
 Processo de torrefação;
 Arrefecimento do produto torrificado.
Torrefação
Para se obter um produto torrificado com as propriedades pretendidas
(PCS, capacidade de ser triturado, hidrofobicidade) e depois da seleção do
tipo de reator, há que escolher a temperatura de torrefação e o tempo de
residência no reator adequados.
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Esquema de um processo de torrefação em contínuo 
(Basu, 2018).
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Torrefação
P. Basu, Biomass Gasification, Pyrolysis and Torrefaction - Practical
Design and Theory, 3rd ed, Academic Press, San Diego, CA, 2018.
ISBN-13: 978-0128129920