Título - Técnico Lisboa - Autenticação · Os principais combustíveis fósseis são o gás natural, os derivados do petróleo bruto (por exemplo, gasolinas, gasóleos, querosenes

Título

Departamento de Engenharia MecânicaInstituto Superior Técnico

Avenida Rovisco Pais, 1049-001 Lisboa, Portugal

BIOMASSACaracterísticas e Utilização

Mário Costa

Disciplina de Energias Renováveis, Licenciatura em Engenharia MecânicaOutubro 2005

ProgramaBiomassa - Características e Utilização

IntroduçãoA biomassa como combustível, tipos de biomassa, tecnologiasde conversão da biomassa, produção de energia a partir dabiomassa

Combustíveis gasososBiogás: produção (fermentação anaeróbica), composição,cogeração com biogás, custos, beneficios energéticos eambientais, situação em Portugal e na Europa

Combustíveis líquidosEtanol: produção (fermentação alcoólica), custos, situaçãomundialMetanol: produção (fermentação alcoólica), custos,disponibilidade

Combustíveis sólidosPropriedades, corte, recolha e transporte, custos, tecnologiasde queima, situação em Portugal e na EuropaCaso Estudado: Controle das Emissões de NOx através daQueima de Biomassa como Combustível Secundário

IntroduçãoOs combustíveis podem ser classificados em gasosos, líquidos e sólidos.

Um aspecto comum a combustíveis fósseis e combustíveis de origem biológica (i.e., biomassa) é que todos foram, na sua origem, matéria viva.

Uma importante diferença entre eles é a escala de tempo …

... enquanto os combustíveis fósseis resultaram de plantas ou animais que viveram há centenas de milhões de anos, a biomassa resulta de matéria que estava viva há poucos anos, ou mesmo dias.

Assim, ao contrário dos combustíveis fósseis, a biomassa érenovável.

Introdução (cont.)Os principais combustíveis fósseis são o gás natural, os derivados do petróleo bruto (por exemplo, gasolinas, gasóleos, querosenes e fuel-óleos) e o carvão.

O termo biomassa cobre uma extensa categoria de materiais, incluindo:

- madeira,- desperdícios vegetais, tais como a palha e a casca de arroz,- resíduos de origem animal, tais como esgotos domésticos eestrume,

- resíduos industriais,- resíduos sólidos urbanos.

É previsível que a biomassa, a partir da qual se obtém actualmente cerca de um sétimo da energia mundial, venha a ter cada vez maior importância no contexto energético mundial, quer por via da sua transformação em biocombustíveis líquidos ou gasosos quer por via da sua queima directa.

Tecnologias de Conversão da Biomassa

CH4atm.< 100AnaerobicFermentation

Ethanolatm.<< 100AerobicFermentation

liquids, char,gasvery high250 – 600Hydrothermal

Upgrading

CO, H2, CH4atm. – high650 – 1100Gasification

char, liquids,gasatm. – high400 – 800Pyrolysis

heatatm. – high800 – 1400Combustion

Main ProductsPressureTemperature(ºC)

ConversionTechnique

Introdução (cont.)

Produção de Energia a partir da Biomassa

solid biomass

(co-)combustion

gasification

liquefaction

coal/gaspower plant

steam turbine,engine

stirling engine

gas turbine,combined cycle

gas-engine(CHP)

fuel cell

electrical efficiency

30-45%**

ca. 25%

20-35%

10-15%*

15-20%

30-40%

** dependent on fuel cell type* lower output range than steam turbine

Introdução (conc.)

Combustíveis Gasosos Renováveis

Os combustíveis gasosos podem ser produzidos a partir da madeira e outros tipos de biomassa através, por exemplo, da gaseificação.

Biogás

O gás natural sintético, ou biogás, também conhecido por biometano, pode ser produzido a partir de uma grande variedade de matéria orgânica, nomeadamente resíduos animais e vegetais, resíduos industriais e resíduos sólidos urbanos.

Muitos países empenhados, existindo já numerosas unidades, por todo o mundo, produzindo gás por processos de pirólise, gaseificação termoquímica e fermentação anaeróbica.

A gaseificação termoquímica só pode ser usada com biomassasque apresentem valores de humidade inferiores a 50%.

Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.)

Produção de Biogás

Ao contrário da gaseificação, a fermentação anaeróbica é um processo microbiológico que exige um alto teor de humidade.

A fermentação anaeróbica (ou metânica) pode definir-se como a decomposição da matéria orgânica na ausência de oxigénio onde, devido à acção de bactérias específicas, se sucedem degradações em cadeia conducentes à produção do biogás.

A matéria orgânica é colocada num digestor fechado, aparelho que possibilita a sua fermentação anaeróbica, conservada a uma temperatura de cerca de 30-40 ºC, de preferência pelo próprio calor gerado, fermentando num período de algumas semanas.

O processo nunca é totalmente anaeróbico e, como tal, entre 20% a 40% (em volume) do gás produzido é CO2.

Apesar disso é um combustível cuja utilização é interessante do ponto de vista energético e, além disso, os resíduos sólidos que restam do processo constituem um fertilizante para a agricultura melhor do que o resíduo original.

Composição do Biogás

0-0.1CO

0.1-0.5NH3

0.1-0.5H2S

0.1-1O2

0.5-2.5N2

1-3H2

20-40CO2

55-80CH4

Composições em % volúmicaComponente



27.8976.2722.1323.3144.14

27.3050.8936.9241.0054.01

PCS a 100 kPa e 298 K

MJ/kg

MJ/Nm3

25.2270.0219.8620.9539.92

24.6846.7233.1336.8548.85

PCI a 100 kPa e 298 K

MJ/kg

MJ/Nm3

6.00.611.36.00.2N2 (% vol.)

24.0−2.43.0−CO2 (% vol.)

−1.27.49.0−CO (% vol.)

2.06.148.053.6−H2 (% vol.)

−15.0−3.01.1C4H10 (% vol.)

−−3.0−−C4H8 (% vol.)

−−−−2.7C3H8 (% vol.)

−72.5−−9C2H6 (% vol.)

68.04.427.125.087CH4 (% vol.)

BiogásGás de refinaria

Gás de carvão

Gás de cidadeArgélia

Gases ManufacturadosGNParâmetro

Propriedades de vários combustíveis gasosos

1 m3 de biogás

1.5 m3 de gás de cidade

0.3 m3 de propano

7 kWh

0.8 litro de gasolina

0.7 litro de gasóleo

1.3 litro de álcool

Relação de Equivalência entre 1 m3 de Biogás e outros Combustíveis


Sistema Descontínuo de Digestão Anaeróbia

Efluentetratado

Efluente poluente

BIOGÁS

Digestor aberto em fase de enchimento

Digestor fechado em fermentação


Sistema Contínuo de Digestão Anaeróbia

BIOGÁS

Efluente tratado

Digestor contínuoBombagemTanque de

recepção


Digestor de biogás

Estrume pastoso

Gás

Saída de gás

Lamas residuais

Barreira divisória

A pressão do gás podeser ajustada por pesos

Tecto metálico flutuantesobre o gás

Câmara defermentação


Etapas do Processo da Digestão Anaeróbia1ª Etapa – Fase hidrolítica

Grandes moléculas orgânicas• hidratos de carbono• proteínas• lípidos

Moléculas de menor peso molecular• açucares• aminoácidos e glicerol• ácidos gordos


Etapas do Processo da Digestão Anaeróbia2ª Etapa – Fase acidogénea

Produtos provenientes da 1ª etapa• formam a dieta alimentar de uma

série de estirpes bacterianas anaeróbias

Produção de compostos de baixo pesomolecular e gases com teores de CO, H2,H2S reduzidos – responsáveis pelo podercorrosivo e odor do biogás


Etapas do Processo da Digestão Anaeróbia3ª Etapa – Fase metanogénea

Produtos provenientes da 2ª etapa• as bactérias metanogéneas entram em

actividade, degradando os ácidos voláteisproduzidos nas fases anteriores

Biogás• libertação da mistura gasosa com

características de gás combustível


Parâmetros que Influenciam o Processo de Digestão

Anaerobiose:A ausência de oxigénio é uma condição não necessária para o normal funcionamento das duas primeiras etapas do processo da digestão anaeróbia...... mas na fase metanogénea, o metabolismo das bactérias metanogéneas é inibido quando em presença de oxigénio atmosférico.

pH:O intervalo mais favorável ao metabolismo das bactérias metanogéneas situa-se entre 6.8 a 7.5.

Temperatura:O intervalo de temperatura (4 a 70 ºC) relativamente largo no qual o processo de fermentação anaeróbia se pode desenvolver abrange a actividade de três estirpes de bactérias metanogéneas, caracterizadas por comportamentos bastante diferenciados quanto à capacidade de degradação da matéria orgânica, produção de biogás, estabilidade, etc...


Relação entre Valores de Tempo de Retenção e Temperatura de Fermentação

20

25

30

35

40

Temperatura(ºC)

28

20

14

10

Tempo Óptimo(dias)

10

11

8

6

4

Tempo Mínimo(dias)

4


Produções de Biogás/Animal.Dia e Relações de Equivalência entre Diferentes Tipos de Animal

Vacas LeiteirasVacas Leiteiras

Bezerros

Suínos

Homens

Galinhas

Animal

1

1.5

9.6

65

No.

145

1.3

0.85

0.135

0.02

Produção (m3/animal.dia)

0.009

590 kg (vacas leiteiras)360 kg (bezerros)50 kg (suínos)1.9 kg (galinhas)

Peso mPeso méédio por animaldio por animal::

1 kg de sólidos voláteis 0.5 m3 de biogás

Produção específica de biogás:

≈


Sistema Típico de Cogeração com Biogás

CALDEIRAGERADOR T 2

LINHA DE GÁS

T 1GASÓMETRO

DIGESTOR

B1C1

T. D.

LINHA DE ÁGUA

LAGOA DERETENÇÃO

TANQUE DE HOMOGENEIZAÇÃO

MOTOR

FILTRO

FILTRO

CombustCombustííveis Gasosos Renovveis Gasosos Renovááveis (veis (contcont.).)

Biogás: Custos de Produção (2004)

Investimento para uma unidade com capacidade paratratamento de 20 000 ton/ano:

- cerca de 4 600 000 €

Custos operacionais- cerca de 38 €/ton (sem amortizações)- cerca de 53 €/ton (incluindo amortizações e impostos)


Biogás: Benefícios Energéticos

A maior parte dos sistemas de biogás produzem a energia necessária à normal actividade das explorações agro-pecuárias onde se encontram, sendo frequente produções de biogás superiores às necessidades.

Quando se opta pela utilização do biogás em grupos de cogeração, parte da energia térmica e eléctrica produzida destina-se a ser usada no processo, existindo contudo um excedente que pode, e deve, ser valorizado. A receita associada a esta valorização pode ser bastante significativa – 10 a 40% do valor total das receitas.

Uma outra valorização energética possível, prende-se com a utilização agrícola do efluente depurado como fertilizante orgânico (mais-valia do efluente).


Biogás: Benefícios Ambientais

O tratamento de efluentes de natureza orgânica pode ser feito através de diversos processos, sendo os mais comuns os sistemas de lagoas e os sistemas convencionais de lamas activadas.

No âmbito da agro-pecuária, a aplicação da lagunagem é uma solução de baixo custo frequentemente praticada, apresentando, no entanto, a desvantagem de ser muito exigente em termos de espaço (tempos de retenção superiores a 100 - 120 dias). A aplicação de arejamento nestas lagoas, para reduzir os tempos de retenção, implica importantes investimentos em equipamento e a elevados consumos de energia eléctrica.

Os biodigestores, ao degradar cerca de 60 a 90% da matéria, permitem uma redução significativa dos tempos de retenção e facilitam a realização dos trabalhos de limpeza das lagoas.

A principal razão que preside à instalação de um sistema de biogásprende-se com interesses de ordem ambiental, sendo o aproveitamento do biogás uma valorização adicional que incentiva a aplicação desta tecnologia para a despoluição de efluentes orgânicos concentrados.


Sistemas a Biogás em Portugal por Sector de Actividade

12ETAR

1Distilarias

3Indústria Alimentar (Leite)

5Bovinos

8Cavalos

71Suínos

Sistemas InstaladosSector de Actividade


Biomassa Disponível em 2003 para Produção de Biogás em15 Países da CE

0

50

100

150

200

250

300

mills

of t

ons

Aus

tria

Bel

gium

Den

mar

k

Finl

and

Fran

ce

Ger

man

y

Gre

ece

Irela

nd

Italy

Luxe

mbo

urg

Net

herla

nds

Por

tuga

l

Spa

in

Sw

eden

U.K

ingd

om

Animal Manure Household Organic Waste Sewage Sluge Industrial Org


Produção de Biogás em 2001 em 15 Países da CE

0

200

400

600

800

1000

1200

thou

sand

s of

tons

Aus

tria

Bel

gium

Den

mar

k

Finl

and

Fran

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Ger

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Gre

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herla

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Por

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l

Spa

in

Sw

eden

U.K

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om


Estimativa do Potencial de Produção de Energia UsandoBiogás para 2020 em 15 países da CE

0

20

40

60

80

100

120

140

160

PJ

Aus

tria

Bel

gium

Den

mar

k

Fin

land

Fra

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Ger

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Gre

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Lux

embu

rg

Net

herla

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Por

tuga

l

Spa

in

Sw

eden

U. K

ingd

om

PJ (Peta Joule) = 1015 J

CombustCombustííveis Gasosos Renovveis Gasosos Renovááveis (veis (concconc.).)

CombustCombustííveis Lveis Lííquidos Renovquidos Renovááveisveis

Nos últimos anos, têm sido inúmeros os esforços no sentido de desenvolver combustíveis líquidos alternativos a partir de recursos renováveis (biocombustíveis) de forma a prolongar as reservas finitas de petróleo no mundo.

Assim, óleos de origem animal (por exemplo, sebo de bovinos e gordura de baleias) e óleos vegetais derivados de sementes de girassol, soja e sementes de algodão têm sido usados como combustíveis.

No passado, no entanto, o uso destes materiais foi limitado a aplicações específicas, como, por exemplo, óleo para iluminação.

A fotossíntese realizada pelas plantas produz hidratos de carbono, isto é, compostos com carbono, hidrogénio e oxigénio na sua composição, como, por exemplo, açúcar, amido e celulose. Estes materiais podem ser convertidos em álcoois.

Uma vez que os combustíveis derivados da biomassa são hidrocarbonetos oxigenados (álcoois), apresentam poderes caloríficos menores, teores de humidade maiores e teores de enxofre, cinzas e azoto menores do que os combustíveis líquidos derivados do petróleo bruto.

CombustCombustííveis Lveis Lííquidos Renovquidos Renovááveis (veis (contcont.).)

Propriedades de Combustíveis Líquidos para Veículos Motorizados

2720.14543.5PCI (MJ/kg)

9201185375380Calor latente de vaporização (kJ/kg)

9.06.4514.714.7(mar/mfu)esteq, massa

< 15< 1537-56< 15Índice de cetano

9089−82-92Índice de octano

423464254370Temperatura de auto-ignição (ºC)

131152-43Temperatura de inflamação (ºC)

7865210-23530-225Gama de temperaturas de ebulição (ºC)

151x10-60.75x10-62.5x10-60.8x10-6Viscosidade cinemática a 20 ºC (m2/s)

0.7940.7960.850.72-0.78Densidade a 16 ºC

EtanolMetanolGasóleoGasolina

Tipo de combustível

Parâmetro


Etanol

O etanol (ou álcool etílico) é o mais comum dos álcoois e caracteriza-se por ser um composto orgânico obtido através da fermentação de substâncias amiláceas ou açucaradas, como a sacarose existente na cana-de-açúcar ou nos resíduos que restam depois da extracção do açúcar.

O etanol é utilizado como combustível desde o aparecimento dos automóveis. Desde então até aos dias de hoje, o uso do etanol em veículos motorizados tem tido consideráveis avanços.

Como combustível para automóveis, o álcool tem a vantagem de ser uma fonte de energia renovável e menos poluidora que os derivados do petróleo. O álcool é também menos inflamável e menos tóxico que a gasolina e o gasóleo.


Etanol

A nível mundial, o exemplo mais conhecido da obtenção de etanol a partir dos recursos renováveis sólidos acima referidos é, provavelmente, o caso brasileiro. O etanol assim obtido pode ser utilizado directamente em motores de automóveis devidamente adaptados ou na forma de uma mistura com gasolina num motor de automóvel convencional.

A produção de etanol é realizada através da fermentação alcoólica de açucares simples, tais como a frutose, a glucose e a sacarose, promovida essencialmente por leveduras mas também por bactérias.

Se a matéria prima não for constituída por açucares simples, mas por polímeros de hidratos de carbono, terá de ser efectuada a hidrólise dos polímeros, numa primeira fase, seguida da fermentação alcoólica dos açucares obtidos na etapa hidrolítica.


Etanol

As matérias primas mais fáceis de fermentar são a cana de açucar ou a beterraba porque são constituídas por sacarose e, por isso, directamente fermentáveis, sem necessidade de pré-tratamentos.

No Brasil a cana de açucar é a principal matéria prima utilizada; em França é a beterraba; nos EUA e na maioria dos países europeus o bioetanol é essencialmente produzido a partir de cereais, principalmente milho.

Os grãos de cereais são constituídos por amido que tem de ser hidrolisado por ácidos ou enzimas a açucares do tipo da glucose, antes de ser fermentado.

Outra matéria prima com um enorme potencial para a produção de etanol é a celulose que se pode obter directamente de resíduos agrícolas e florestais (tem menor custo mas fermentação mais difícil comparativamente às outras matérias primas).


Balanços Mássicos Associados à Produção de Etanol a Partir de Beterraba e Trigo

(Fonte: CE, 1994)

Beterraba

Folhas39 990 kg

87 730 kg

Raízes48 740 kg

Matéria Seca

2 760 kg

Líquido7 795 kg

Matéria Seca

1 220 kg

Etanol3 775 kg

Palha7 050 kg

Matéria Seca

Etanol1 642 kg

1 610 kg

Trigo12 470 kg

Grão5 420 kg

Malte3 252 kg


Fermentação Alcoólica: Produção de Etanol a Partir de Milho

WholeStillage

ThinStillageCondensate

EnzymesCO

YeastLiquefaction

JetCooker

Water Sources

Hammer Mill

WholeCorn

5% Gasoline

200 ProofEthanol

200 ProofDenatured

EthanolFinal Product

Molecular Sieves

190Proof

Ethanol

Beer

DistillationSystem

WetGrain

EvaporatorsSyrup

MashCooling

Fermentation

SlurryTank

Centrifuge

Drum DryerDDGSFinal Product


Etanol: Custos de Produção (2000)

0.20.18€/litro

OperacionaisMatéria Prima


Produção de Etanol por Continente em 2001

65,5%

19,6%

13,2% 1,7%

Americas Asia/Pacific Europe Africa


Produção de Etanol (2001 versus 2006)

0

5

10

15

20

25

30

35

2001 2006

bln

litre

s

Brazil USA Others


Metanol

Actualmente, o metanol é produzido essencialmente a partir de gás natural e/ou carvão.

A obtenção de metanol a partir da biomassa tem sido extensamente investigada.

Regra geral, de uma tonelada de biomassa podem ser extraídoscerca de 700 litros de metanol.

O procedimento convencional de obtenção de metanol a partir de gás natural consiste em fazer reagir este gás com vapor de águapara obter um gás de síntese composto por CO, CO2, água e H2com o qual se pode obter metanol.

Um processo complementar consiste em utilizar uma oxidaçãoparcial do metano podendo o CO2 e H2 produzidos nesta últimareacção ser combinados com o H2 em excesso para a produção de quantidades adicionais de metanol.


Produção de Metanol a partir de Carvão


Metanol: Custos de Produção

No caso da produção de metanol a partir de biomassa o seu custo ésuperior; em 2001 cerca de €0.063 a €0.116 por litro mais elevado.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1992 1994 1996 1998 2000

Euro

per

Met

ric T

on

Transportation Costs Commodity Cost of Gas Plant Operating Cost

CombustCombustííveis Lveis Lííquidos Renovquidos Renovááveis (veis (concconc.).)

Metanol: Disponibilidade

CombustCombustííveis Sveis Sóólidos Renovlidos Renovááveisveis

Na natureza, a abundância do carvão não tem rival. As suas reservas mundiais conhecidas são suficientes para assegurar, ao ritmo actual de extracção, a exploração durante vários séculos.

No entanto, o carvão é uma fonte de energia particularmente não atractiva, apresentando-se como o combustível fóssil potencialmente mais poluente, nomeadamente no que respeita às emissões de dióxido de carbono, óxidos de azoto e enxofre, partículas e metais pesados.

Existem diversos tipos ou categorias de carvão, desde a antracite num dos extremos até lenhite no outro, os quais podem ser classificados de acordo com as suas propriedades em conjunto com a turfa e a madeira.

O lixo municipal e certos resíduos sólidos industriais podem também ser classificados como combustíveis sólidos.

CombustCombustííveis Sveis Sóólidos Renovlidos Renovááveis (veis (contcont.).)

A composição dos combustíveis sólidos pode ser expressa de várias formas, a saber: as-received, em base seca ou em base seca, sem cinzas.

Os combustíveis sólidos não apresentam uma composição uniforme, logo não podem ser representados por uma fórmula química definida.

Basicamente, a sua caracterização é realizada através de dois tipos diferentes de análises químicas: a análise imediata e a análise elementar.

A análise imediata de um combustível é determinada experimentalmente em laboratório e quantifica as percentagens mássicas de humidade, matéria volátil, carbono fixo e cinzas presentes no sólido.


A biomassa é um material celulósico que pode ser, ou não, lenhoso.

A biomassa não lenhosa inclui resíduos agrícolas tais como bagaço de azeitona, palha, cascas e caroços de frutos, sementes e estrume.

A biomassa lenhosa inclui a lenha, pontas e ramos de árvores, casca de árvores e serradura. A madeira seca, por exemplo, éconstituída por celulose, hemicelulose, lenhose, resinas e cinzas. A celulose representa cerca de 40-45% da massa da madeira seca, a hemicelulose cerca de 20-35%, a lenhose contribui com 15-30%, enquanto que as resinas e cinzas estão presentes somente em pequenas percentagens.

Além do aproveitamento do potencial energético da biomassapelas vias indirectas, a queima directa da biomassa sólida em caldeiras de grelha fixa, móvel ou inclinada e de leito fluidizado, entre outras, tem merecido crescente atenção por parte de muitos países, entre os quais Portugal.


Valores Típicos das Percentagens Mássicas de Oxigénio, Água e Cinzas Presentes nos Combustíveis Sólidos

> 542Antracite

> 555Carvão betuminoso

> 53025Lenhite

0.1-109035Turfa

0.1-115-5045Madeira

Cinzas(base seca)

Água(sem cinzas)

Oxigénio(base seca, sem cinzas)

Combustível


Valores Típicos das Percentagens Mássicas de Humidade, Matéria Volátil, Carbono Fixo e Cinzas e do Poder Calorífico de Vários Combustíveis Sólidos

Teor dehumidade

Matériasvoláteis

Carbonofixo

CinzasAumento em categoria

MJ/kg 20 21 25 27 31 35 29 34

Mad

eira

Turfa

Lenh

ite

Sem

i-bet

umin

oso s

Betu

min

osos

Antra

cite

Gra

fite

natu

ral


16.3617.0016.4215.9916.1813.88PCI (MJ/kg)

17.5418.3217.6817.3718.1115.09PCS (MJ/kg)

26.8631.0629.7534.5333.2229.6Oxigénio

000000.3Enxofre

1.860.940.190.060.731.3Azoto

5.566.255.926.496.264.6Hidrogénio

43.2246.6546.2444.7245.4938.8Carbono

Análise elementar (% wt)

13.12.61.20.21.015.6Cinzas

19.721.224.512.619.314.7Carbono fixo

57.863.757.673.266.459.9Matéria volátil

9.412.516.714.013.39.8Humidade

Análise imediata (% wt)

Caroço Azeitona

Pontas e Ramos de Pinheiro

Casca de PinheiroSerrim Caroço de

PêssegoCasca de

ArrozQuantidade

Propriedades de Várias Biomassas Nacionais

Propriedades de Vários Combustíveis Sólidos

(Todos os dados em base seca, sem cinzas)

7.08.02.01.01.03.093.0Coque

34.331.010.03.60.10.82.593.0Carvão vegetal

34.758.07.51.30.71.33.793.0Antracite

36.287.036.76.51.41.55.685.0Carvão betuminoso

35.8217.547.517.24.01.54.872.5CarvãoSemi-betuminoso

28.9729.046.818.01.21.24.874.8Lenhite

27.808.068.035.00.41.65.557.5Turfa

20.931.579.341.6−0.16.152.2Madeira (típica)

20.880.741.8−−6.351.9Choupeiro

20.890.242.9−−6.650.5Carvalho

20.530.343.6−−6.549.9Bétula

20.180.240.4−0.15.953.6Pinho vermelho

21.070.141.3−−6.152.6Pinheiro

20.720.444.6−−6.449.0Cedro

19.62CinzasMatéria volátil

OxigénioEnxofreAzotoHidrogénioCarbono

PCS(MJ/kg)Composições em % mássica

Combustível


The Main Sources of Forest Fuels


Small diameter trees from early thinningsHarvesting costs are high- Cost difference to logging residue chips is about 10-15 €/m³- Resources difficult to locate, measure and get to market

Logging residues from final fellings

Stumps from final fellings- A side product of final cuttings- Accumulation easy to estimate and locate- Harvesting costs are quite low

Small diameter trees from early thinnings Production methods of chips from small-sized trees


Manual felling andpiling of small-sizedstems

Forest haulage of small-sized trees

ChippingPile of small-sized delimbedor undelimbed trees near forest road

Transportation to heatingplant

Heating plant

Accumulating feller-buncher

Felling frame

Logging residues from final fellingsSupply chains for logging residues


TERRAINCHIPPING-METHOD

Crushing of bundles or loose residues in the plant

Bundling of logging residues

CHIPPING INROAD SIDE-METHOD

Chipping of residueson road-side terminal

On-road transportation ofloose logging residues

On-road transportation by log trucks

Forest haulage bytractor equipped for log haulage

Logging residue compacting truck trailer

BUNDLINGMETHOD

LOOSE RESIDUES

Stumps from final fellingsStump harvesting


Corte, Recolha e Transporte


HARVESTING

250 m3

1 m = 2,5 i-m3 3

40 - 60 m3

Bark, sawdust and other wood residues

FOREST RESIDUES

At least one third of the logging residues andstumps will be left in the forest as a fertiliser

ROUND WOOD WITH BARK

SAWMILL/PULP MILL 190 - 210 m 3

Wood fuelTOTAL WOOD FUELS150-180 m = 300 - 360 M hHeat production = 170 - 200 M hElectricity production = 85

3 WW

- 100 M hW

1 hectare

STAND:Round wood 250 mForest residues 100 m

3

3

E.Alakangas

STUMPSPotential 60 80 mFor energy 50 60 m

3

3-

-

Custos dos Combustíveis Florestais na Filândia em 2004


0

5

10

15

20

25

30

35

Smalltrees, 40

km

Smalltrees, 80

km

Residues,40 km

Residues,80 km

Cos

t, €/

m3

Management

Road transport

Chipping at roadside

Forw arding to roadside

Felling


Queima Directa de Biomassa – Tecnologias Caldeira com combustão de

partículas em suspensão

Caldeira com combustãoem grelha móvel

Caldeira com combustãoem leito fluidizado


Caldeira com combustão em leito fluidizado borbulhante

Primaryair

Secondaryair

Tertiaryair

Bottom ashremoval

Fuelfeeding

Start upburners

Refractory

Superheaters

Watertubes

Sand


Caldeira com combustão em leito fluidizado circulante

Return leg

Densesuspension

Dilute suspension

Water tubes

Circulation

Secondaryair

Primaryair

Cyclone

Fuel


80-90−−Captura de SOx (%)

BaixaAltaAltaEmissões de NOx

800-10001400-17001400-1700Temperatura de operação (ºC)

812-20< 0.5Granulometria do combustível (mm)

10-2520-4015-50Excesso de ar (%)

40-5525-3535-45Eficiência térmica global (%)

90-9970-9099Eficiência da combustão (%)

Leito fluidizadoGrelhaSuspensão

Processo de combustãoCaracterística

Queima Directa de Biomassa – Comparação das Características Principais dos Processos de Combustão em Suspensão, em Grelha e em Leito Fluidizado


Central de Resíduos Florestais de Mortágua

A central tem uma potência instalada de 9 MW e entrou em serviço industrial em 1999.

Em 2003, a central teve uma produção líquida de cerca de 38 GWh, tendo os resíduos florestais consumidos atingido cerca de 90 mil toneladas, das quais perto de 78% foram resíduos florestais directos e 22% cascas de pinheiro e de eucalipto.

Co-Combustão na Europa

CombustCombustííveis Sveis Sóólidos Renovlidos Renovááveis (veis (concconc.).)

0

5

10

15

20

25

30

35

Austria

Belgium

Denmark

Finlan

deFran

ceGerm

any

Great B

ritain

Greece

Irelan

dIta

lyLu

xembo

urgNeth

erlan

dsPola

ndPort

ugal

Spain

Sweden

# of

uni

ts w

ith e

xper

ienc

es

RDFsewage sludgeBiomass

Controle das Emissões de NOxatravés da Queima de Biomassacomo Combustível Secundário

Caso Estudado

Mecanismos de Formação de NOx

•• Imediato (Fenimore)

• Mecanismo Intermédio de N2O

• Térmico (Zeldovich)

N2 + O NO + N

N + O2 NO + O

N + OH NO + H

• Combustível

Fuel-N HCN NHi

NO

N2

Métodos de Controle dasEmissões de NOx

Alterações no processo de combustão (soluções preventivas)

Recirculação (externa) dos produtos de combustão

Injecção de água/vapor (flame cooling)

Métodos de Controle dasEmissões de NOx (cont.)


Estagiamento do ar de combustão

Estagiamento do combustível

Métodos de Controle dasEmissões de NOx (cont.)


Reburning

Ultra-lean combustion

Métodos de Controle dasEmissões de NOx (conc.)

Tratamentos pós-combustão (soluções correctivas)

Injecção de amoníaco, carbono activado, …

Precipitadores electroestáticos, filtros de mangas, …

Alterações no processo + Tratamentos pós-combustão

Advanced Reburning

Motivação

A formação de óxidos de azoto (NOx) é uma importante fonte poluente em sistemas de combustão.

O reburning provou ser uma estratégia de controle efectiva para reduzir emissões de NOx de diferentes sistemas de combustão.

Os hidrocarbonetos gasosos foram identificados como os combustíveis secundários mais efectivos devido ao conteúdo mínimo de azoto que apresentam na sua composição e, ainda, devido à sua habilidade para produzir radicais CHi activos.

A maioria dos trabalhos de investigação em reburning considerou combustíveis fósseis, principalmente carvões pulverizados, como combustíveis secundários.

Em geral, estes estudos revelam que reduções de NOx acima de 60-70% podem ser obtidas recorrendo ao uso de cerca de 20-25% de combustível secundário.

Motivação (conc.)

O uso de carvão como combustível secundário pode ter um impacto negativo na percentagem de carbono nas cinzas.

Assim, o uso de biomassa como combustível secundário pode ser uma excelente alternativa ao carvão, podendo reduzir o efeito negativo do reburning na eficiência global da combustão, devido ao conteúdo mais elevado de matéria volátil que as biomassaspossuem quando comparadas com a generalidade dos carvões.

Além disso, do ponto de vista ambiental, a biomassa apresenta várias vantagens relativamente aos combustíveis fósseis convencionais. Aparte da sua natureza renovável, a biomassa tem níveis mais baixos de enxofre e, normalmente, metais pesados tóxicos, e é neutra em termos de CO2.

Por outro lado, o combustível secundário normalmente representa somente 20-25% da carga térmica total, de forma que somente pequenas quantidades de biomassa são necessárias para o reburning ser efectivo.

Objectivos

Avaliar o potencial do reburning usando casca de arroz comocombustível secundário na redução das emissões de NOx de umafornalha laboratorial.

Para permitir uma análise comparativa, foram também realizadosensaios usando gás natural gas e etileno como combustíveissecundários.

Os resultados foram obtidos em função do tipo de combustívelsecundário …

… para cada combustível secundário, o potencial de redução dasemissões NOx foi analizado em função de:• Fracção de combustível secundário (ou

estequiometria da zona secundária)• Tempo de residência na zona secundária• Concentração de NOx à entrada da zona secundária

Fornalha do IST

Natural Gas

NaturalGas

Fornalha do IST

Configuração do Queimador e do Sistema de Reburning

Primary airSecondary air

(Swirl)Natural gas

+ NH3

3025,3

18

14

8

32Z2

Z1

Ø 56

Burner gun

Quarl

Water out

IgniterCeramic fibre

Water in

Water out

Ø 600 150 50

Overfireair

900

900

Refractory

Ø 120

Dimensions in mm

o60

Reburn fuel


(Swirl)Natural gas

+ NH3

3025,3

18

14


(Swirl)Natural gas

+ NH3

3025,3

18

14

8

32

8

3232Z2Z2

Z1Z1Z1

Ø 56

Burner gun

Quarl

Water out


Water in

Water out

Burner gun

Quarl

Water out


Water in

Water out

Ø 600 150 50Ø 600 150 50

Overfireair

900

Overfireair

Overfireair

900900

900900

Refractory

Ø 120

Dimensions in mm

o60

Reburn fuel

Espécies químicas gasosa:sonda arrefecida a água

Sólidos: sonda arrefecida a água com chuveirona extremidade.

O2: analisador paramagnetico

CO, CO2: analisador não dispersivo de

infravermelhos

HC: detecção por ionização de chama

NOX: analisador de quimiluminiscência

Técnicas Experimentais

NOx: sonda arrefecida a água, linha aquecida

Características dos Combustíveis e Condições de Operação da Fornalha

(a) Characteristics of rice husk Proximate analysis (wt %) Ultimate analysis (wt %) Particle size (% under) Moisture 9.8 Carbon 38.8 30 µm 4.0 Volatiles 59.9 Hydrogen 4.6 70 µm 11.6 Fixed Carbon 14.7 Nitrogen 1.3 100 µm 17.6 Ash 15.6 Sulphur 0.3 300 µm 54.2 Oxygen 29.6 500 µm 77.9 High Heating Value (MJ/kg) 15.09 1000 µm 97.6 Low Heating Value (MJ/kg) 13.88 2000 µm 100 (b) Characteristics of hydrocarbon gaseous fuels Composition (vol. %) Natural Gas Ethylene

CH4 83.7 - C2H5 - 99.5 C2H6 7.6 - ≥ C3 2.9 - N2 5.4 0.5 CO2 0.2 - He 0.2 -

High Heating Value (MJ/kg) 53.8 50.3 Low Heating Value (MJ/kg) 48.6 47.2 (c) Furnace operating conditions

Reburn Fuels Parameter

Natural Gas Ethylene Rice Husk Total thermal input (kW) 130-200 130-200 130-186 Primary zone stoichiometric ratio 1.1 1.1 1.1 Reburn zone stoichiometric ratio 0.72-1.1 0.7-1.1 0.75-1.1 Burnout zone stoichiometric ratio 1.1 1.1 1.1 Reburn fuel fraction (%) 0-35 0-35 0-30 Reburn zone residence time (s) 0.31-0.92 0.31-0.93 0.32-0.92 NOx concentration at primary zone exit (ppm) 50-970 50-970 50-970

Principais Reacções de Reburning

NO + CHi → HCN + … (1)

Em condições ricas:

HCN + O → NCO + H (2)NCO + H → NH + CO (3)NH + H → N + H2 (4)N + NO → N2 + O (5)

… mas em condições pobres:

CHi + O → CO + H + … (6)

As reacções (1) e (6) consomem CHi competitivamente. No “reburning” o objectivo é maximizar a exposição NO/CHi e minimizar a interacção CHi/O2

NO + NHi → N2 + H2O (7)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Reburn fuel fraction (%)

NO

X R

educ

tion

(%)

Rice Husk (Air)Rice Husk (N2)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30 35 40


NO

X R

educ

tion

(%)

Rice Husk (Air)Rice Husk (N2)Rice Husk (Air)Rice Husk (Air)Rice Husk (N2)Rice Husk (N2)

Initial NOx concentration: 350 ppmReburn zone residence time: 0.7 s

Efeito do Fluido de Transporte da Biomassa

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30 35 40


NO

X R

educ

tion

(%)

Rice Husk (Air)

EthyleneNatural Gas

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30 35 40


NO

X R

educ

tion

(%)

Rice Husk (Air)

EthyleneNatural GasRice Husk (Air)Rice Husk (Air)

EthyleneEthyleneNatural GasNatural Gas

Initial NOx concentration: 350 ppmReburn zone residence time: 0.7 s

Efeito da Fracção de Combustível Secundário

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Reburn zone residence time (s)

NO

X R

educ

tion

(%)

Rice Husk (Air)

EthyleneNatural Gas

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Reburn zone residence time (s)

NO

X R

educ

tion

(%)

Rice Husk (Air)



Initial NOx concentration: 350 ppmReburn fuel fraction: 20%

Efeito do Tempo de Residência naZona de Reburning

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 200 400 600 800 1000

Initial NOX concentration (ppm)

NO

X R

educ

tion

(%)

Rice Husk (Air)

EthyleneNatural Gas

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 200 400 600 800 1000

Initial NOX concentration (ppm)

NO

X R

educ

tion

(%)

Rice Husk (Air)



Reburn fuel fraction: 20%Reburn zone residence time: 0.7 s

Efeito da Concentração Inicial de NOx

70

75

80

85

90

95

100

0 10 20 30 40 50 60

NOX Reduction (%)

Par

ticle

Bur

nout

(%)

Rice Husk (Air)70

75

80

85

90

95

100

0 10 20 30 40 50 60

NOX Reduction (%)

Par

ticle

Bur

nout

(%)

Rice Husk (Air)Rice Husk (Air)

Reburn fuel fraction: 5% to 30%Reburn zone residence time: 0.32 s to 0.92 sInitial NOx concentration: 350 ppm

Redução de NOx versus Burnout

Conclusões

O desempenho da casca de arroz como combustívelsecundário no reburning é comparavel ao do gás natural para fracções de combustível secundário elevadas; atingiram-se reduções nas emissões de NOx de cerca de 60% com fracções de casca de arroz de cerca de 25-30%.

Existe uma correlação entre a extensão da redução dasemissões de NOx e o grau de oxidação do resíduocarbonoso: quanto mais elevada a redução menor o graude oxidação.

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Título - Técnico Lisboa - Autenticação · Os principais combustíveis fósseis são o gás natural, os derivados do petróleo bruto (por exemplo, gasolinas, gasóleos, querosenes