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MÁQUINAS TÉRMICASMÁQUINAS TÉRMICASATAT--056056

Universidade Federal do ParanáUniversidade Federal do ParanáCurso 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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INTRODUÇÃO:

� Um dos mais importantes campos de estudo noconjunto das ciências e da tecnologia é, sem dúvida, odos “combustíveis” .

Devido ao fato de serem utilizados para “mover” o mundo.

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INTRODUÇÃO:

� Somente com a grande atividade industrial atualtornou-se possível o crescente fornecimento deenergia, que pode ser utilizada sob a formaconveniente de energia calorífica, obtida através doscombustíveis.

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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 maisimportante fonte de energia. Por quanto tempo?

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DEFINIÇÃO:

� De modo geral, denomina-se combustível como sendoqualquer substância natural ou artificial que emcombinação química com o oxigênio libere energiatérmica por meio de uma reação exotérmica.

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COMPOSIÇÃO:

� Os elementos químicos que entram na composição da maioria dos combustíveis são:

� carbono,

� hidrogênio,

� oxigênio,

� nitrogênio e

� enxofre.

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COMPOSIÇÃO:

� A qualidade do combustível é dada pelos elementoscarbono (C) e hidrogênio (H); o enxofre (S), apesarde combustível, é indesejável, o oxigênio (O) diminuia quantidade unitária de calor desprendida, pois éconsiderado como já combinado com o hidrogênio; onitrogênio (N) também não é desejável, pois nãoapresenta, no campo da combustão industrial, reaçãocom oxigênio com liberação de calor.

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UTILIZAÇÃO:

� Para que um material possa ser consideradoindustrialmente como sendo “combustível”, sãonecessários os seguintes requisitos técnicos eeconômicos:

� 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.

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UTILIZAÇÃO:

� Nos dias atuais, os combustíveis são representadospelos materiais carbonáceos comumente disponíveise que podem ser queimados facilmente ao aratmosférico com desprendimento de grandequantidade de calor e controlável sem grande esforço.

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CONSUMO BRASILEIRO DE ENERGIA:

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CONSUMO MUNDIAL DE ENERGIA:

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CONSUMO:

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CONSUMO DE ENERGIA :

� O consumo de energia no mundo está resumido, emsua grande maioria, pelas fontes de energiastradicionais como petróleo, carvão mineral e gásnatural. Esses combustíveis são poluentes, não-renováveis e a cada dia que passa seus preçostendem a aumentar.

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PREÇO DO PETRÓLEO:

700% ?

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PERSPECTIVAS FUTURAS:

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PERSPECTIVAS FUTURAS:

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PERSPECTIVAS FUTURAS:

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CLASSIFICAÇÃO:

� Os combustíveis podem ser classificados quanto:� A sua origem:

� Fósseis e (Não-renováveis)� Vegetais (Renováveis)

� A sua natureza:� Natural e� Artificial.

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CLASSIFICAÇÃO:

� O seu estado físico:� Sólido,� Líquido e� Gasoso.

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CLASSIFICAÇÃO:

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CLASSIFICAÇÃO:

� Combustíveis Sólidos:Para que sejam utilizados devem possuir podercalorífico elevado, alta disponibilidade e que queimecom facilidade.� Naturais: lenha, casca, turfa, carvão mineral, xisto� Artificiais: coque, briquetes, carvão vegetal

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CLASSIFICAÇÃO:

� Combustíveis Líquidos:Possuem certas vantagens em relação aos sólidos,tais como poder calorífico mais elevado, maiorfacilidade e economia de armazenagem e fácilcontrole de consumo.� Naturais: petróleo bruto.� Artificiais: produtos da destilação de petróleo,

álcoois e óleos vegetais.

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CLASSIFICAÇÃO:

� Combustíveis Gasosos:Possuem certas vantagens em relação aoscombustíveis sólidos, tais como: permitir a eliminaçãode parte da fumaça e cinzas, melhor controle detemperatura e comprimento das chama.� Naturais: gás natural� Artificiais: GLP, acetileno, propano, butano

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PROPRIEDADES:

� Como visto, cada tipo de combustível em função deseu estado ou natureza pode apresentar uma grandediferença em suas propriedades, deste ponto emdiante iremos discutir as principais propriedades doscombustíveis.

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PROPRIEDADES:

� Poder calorífico,� Composição química,� Viscosidade,� Ponto de fluidez,� Calor latente,� Ponto de fulgor e� Umidade,� Densidade.

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PODER CALORÍFICO:

� É a quantidade de energia desprendida por unidadede massa ou de volume na combustão completa deum material combustível. Depende basicamente dacomposição química de cada combustível sendoexpressa em J/kg, cal/kg, ou J/Nm³.Existem dois poderes caloríficos:� Poder Calorífico Superior e� Poder Calorífico Inferior.

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PODER CALORÍFICO:

� Poder Calorífico Superior (PCS):É a quantidade de calor (energia) liberada quando ummaterial entra em combustão e os gases da descargasão resfriados de modo que o vapor de água nelesseja condensado.

� Poder Calorífico Inferior (PCI):É a quantidade de calor (energia) liberada quando ummaterial entra em combustão e os gases de descargasão resfriados até o ponto de ebulição da água,evitando assim que a água contida na combustão sejacondensada.

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PODER CALORÍFICO:

� O PCS é dado por a soma da energia liberada naforma de calor e a energia gasta na vaporização daágua que se forma numa reação de oxidação.

� O PCI corresponde somente a energia liberada naforma de calor.

� Para combustíveis que não contenham hidrogênio nasua composição, o valor de PCS é igual ao do PCI,porque não há a formação de água econsequentemente não há energia gasta na suavaporização. Assim, o PCS é sempre maior ou igualao PCI, pois o PCS. aproveita o a entalpia decondensação da água

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PODER CALORÍFICO:

� Como a temperatura dos gases de combustão é muitoelevada nas máquinas térmicas, a água contida nelasse encontra sempre no estado de vapor, portanto, oque deve ser considerado é o poder calorífico inferiore não o superior.

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PODER CALORÍFICO:

� Determinação do poder calorífico dos combustíveis.

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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 absolutaPCS=Poder Calorífico Superior (KJ/Kg)C=Teor de CarbonoH=Teor de HidrogênioS=Teor de EnxofreO=Teor de OxigênioPCI=Poder Calorífico Inferior (KJ/Kg)U=Teor de umidade

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PODER CALORÍFICO:

� Determine através das formulas o poder caloríficosuperior e inferior do combustível, sabendo que esteapresenta a seguinte composição química:C=52%H=6%O=1%N=41%S=0% - (Apenas traços)U=30% (Umidade base seca)

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PODER CALORÍFICO:

� Construa um gráfico da variação do PCI em função Teorde umidade (Ubs)U=20%U=40%U=60%U=80%U=100%

Calcule o ponto (Ubs) onde a energia contida no combustivelseria todo utilizado para promover a evaporação da água.

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PODER CALORÍFICO:

� Estime a quantidade necessária de combustível(Ubu=40%) para promover o fornecimento de 250MJ deenergia para um processo onde a eficiência de conversãoé igual a 60%.

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PODER CALORÍFICO:

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PROPRIEDADES:

� Composição química (% de C, H, O, N, S e Cinzas):Carbono e hidrogênio são os elementos que maiscontribuem para o poder calorífico. O oxigêniopresente em combustíveis diminui o poder calorífico,bem como as exigências teóricas de ar de combustão.

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PROPRIEDADES:

� Composição química (% de C, H, O, N, S e Cinzas):Embora o enxofre seja combustível este trazconseqüências prejudiciais ao meio ambiente e aosequipamentos, sendo que os produtos de suacombustão em presença de umidade formam acidosulfúrico que tende a atacar as partes mais frias dosequipamentos, causar "chuva acida” e caso aatmosfera da combustão seja redutora pode haverformação de compostos que são perigosos eproduzem mal cheiro.

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PROPRIEDADES:

� Composição química (% de C, H, O, N, S e Cinzas):O Nitrogênio e responsável pela formação de diversosóxidos que são compostos de alta irritabilidade paraas mucosas alem de reagirem com a camadaatmosférica de ozônio.As cinzas podem promover mudança nascaracterísticas de transferência de calor e problemasrespiratórios (smog).Legislação vigente quanto a emissões.

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PROPRIEDADES:

� Viscosidade (mPas, cP):É uma indicação da resistência que o fluidoapresentará para escoar, desta forma, quanto maior aviscosidade, maior será a coesão entre as moléculase a resistência ao escoamento. Importante para ocontrole de armazenamento, bombeamento epulverização para combustão. Graus SAE (Society ofAutomotive Engineers), são expressos por dezenasinteiras, sendo o óleo mais fino ou menos viscoso degrau igual a 10.

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PROPRIEDADES:

� Ponto de fluidez (°C),Indica a temperatura mínima para que os derivadosde petróleo escoam sem apresentar problemas.

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PROPRIEDADES:

� Calor Latente (kcal, J):Corresponde a quantidade de calor absorvido peloscorpos na sua mudança de estado, sem que hajaaumento aparentemente de temperatura. O calorlatente necessário à fusão, liquefação ou gaseificaçãovaria com sua natureza. Na passagem do estado asubstancia não muda de temperatura enquanto durasua transformação, e todo calor empregado éabsorvido para produzir mudança de estado.

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PROPRIEDADES:

� Ponto de Fulgor (°C):É a temperatura de inflamação do combustível;� Coque = 660°C� Álcool etílico = 402°C� n-Octano = 220°C

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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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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

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

� Pode ser encontrado em diversas formas na naturezacomo:� Turfa,� Linhita,� Carvão Mineral,� Biomassa (Lenha, Bagaço de cana, Serragem,

Casca de arroz e Outros).

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

� Principais propriedades a serem avaliadas:� Poder calorífico,� Composição química,� Umidade,� Granulometria,� Densidade.

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

� Os principais combustíveis sólidos utilizados no mundosão a lenha e o carvão mineral na geração de energiano mundo.

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

� TurfaSe constitui na primeira fase de formação do carvãomineral. Apresenta elevada umidade, mas secadas aoar reduz-se a umidade para cerca de 30%.

� LinhitaFase intermediária entre o turfa e o carvãobetuminoso. Apresenta teor de umidade entre 30 e50%, mas quando secada ao ar esta umidade podecair para entre 10 e 20%.

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

� Carvão MineralDevido ao seu alto teor de cinzas e enxofre o carvãomineral brasileiro não e muito utilizado industrialmente,a não ser nas localidades próximas a minasprodutoras na produção de energia e na industria decimento.

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

� Classificação do Carvão Mineral

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

� Composição do Carvão Mineral Nacional

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

� BiomassaProvavelmente o primeiro combustível a ser utilizadopelo homem foi a lenha. E um combustívelamplamente utilizado no Brasil, tanto em aplicaçõesdomésticas como em aplicações industriais parageração de energia térmica. E caracterizada por baixoteor de cinzas, ausência total de enxofre e umidadevariável a qual depende do tempo e do método dearmazenagem.

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

� BiomassaPoder 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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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

� Biomassa

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

� Biomassa

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COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:

� Os combustíveis empregados são constituídos de:� Hidrocarbonetos,� Benzol e� Álcoois.

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COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:

� Os hidrocarbonetos são usualmente derivados depetróleo: Gasolina, nafta, querosene, óleo diesel eóleo combustível e consistem em frações obtidas dadestilação de petróleo. Apenas o óleo combustível équeimado em geradores de energia industrial;

� Parâmetros avaliados: teor de enxofre, viscosidade,ponto de fluidez, ponto de fulgor e densidade;

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COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:

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COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:

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COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:

� As característica do petróleo (Fatores geológicos comolocalização da jazida, idade e profundidade)determinam a faixa de extração de cada um doscomponentes.

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COMBUSTÍVEIS GASOSOS:

� Visualiza-se um aumentado da aplicabilidade doscombustíveis gasosos na industria nacional.Respondendo a demanda por fontes de energia maislimpas e eficientes. A limitação de seu crescimentoesta na disponibilidade e distancia dos centresconsumidores pela sua maior dificuldade detransporte.Para curto e médio prazo há incertezas sobre oassunto GN no Brasil.

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COMBUSTÍVEIS GASOSOS:

� Gás Natural é obtido em campos petrolíferos e temsido muito explorado recentemente, porem deve sertransportado por gasodutos, o que dificulta sua maiorutilização dada a necessidade de investimento eminfra-estrutura. É uma composição de diversos gases:Metano, etano, propano, butano, nitrogênio e dióxidode carbono são os principais.Apresenta característica bastante variável.A presença de enxofre é pequena.

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COMBUSTÍVEIS GASOSOS:

� Gás Liquefeito de Petróleo é obtido no processo dedestilação do petróleo e é um importante combustível,tanto de aplicação industrial como domestica. Écomposto basicamente por propano, propeno, butanoe buteno;Liquefazem a pressões relativamente baixas.

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RESÍDUOS:

� Resíduos e subprodutos:� Urbanos,� Agrícolas,� Pecuários,� Florestais,� Agroindustriais.

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RESÍDUOS:

� RESÍDUOS URBANOSCompreendem os resíduos do lixo e esgoto. Nãoapresentam um alto poder calorífico, mas porapresentar elevado volume em grandes cidades suautilização pode ser atraente.Necessidade de desenvolver tecnologia paraminimizar os impactos ambientais

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RESÍDUOS:

� RESÍDUOS AGRÍCOLASResultantes da colheita e do processamento decultivos. Sua exploração dever ser feita de maneiraracional e são constituídos basicamente pela palha dediversas culturas.

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RESÍDUOS:

� RESÍDUOS PECUÁRIOSSão constituídos dos excrementos de bovinos, ovinos,suínos e de aves. Podem ser secos e utilizados paraqueima ou para a produção de biogás (decomposiçãoanaeróbica).

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RESÍDUOS:

� RESÍDUOS FLORESTAISSão constituídos dos subprodutos das atividades desilvicultura ou da fruticultura como: galhos, folhas,acículas e troncos deixados no campo.

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RESÍDUOS:

� RESÍDUOS AGROINDUSTRIAISSão provenientes da industrias de transformação deprodutos agrícolas. Os principais resíduos utilizadossão oriundos das seguintes atividades agroindustriais:indústria de açúcar e álcool, matadouros e frigoríficos,cortumes, industria da pesca, fábrica de doces econservas, indústrias madeireiras, indústria de papel ecelulose. A tecnologia para o usos enérgico dosresíduos agroindustriais são duas: queima em fornos egeradores de vapor ou biodigestão anaeróbica.

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DENDROENERGIA:

� A utilização do termo dendroenergia é recente,contudo a utilização da dendroenergia remonta dostempos pré-históricos. O termo dendroenergia hoje éutilizado para designar a “energia das árvores” e suautilização em processos térmicos.Processos básicos de conversão dendroenergética:� Combustão de biomassa;� Pirólise da biomassa� Gaseificação da biomassa;

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DENDROENERGIA:

� COMBUSTÃO DE BIOMASSAA queima direta é a tecnologia de conversão maisantiga e mais difundida comercialmente;O processo de combustão da biomassa ocorre em seisetapas consecutivas: Secagem, emissão de voláteis,ignição de voláteis, queima de voláteis em chama,extinção da chama dos voláteis e combustão doresíduo de carbono (coque).

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DENDROENERGIA:

� PIRÓLISE DA BIOMASSAPromove a degradação térmica da biomassa emausência total ou quase total de agente oxidante (ar)havendo a formação de outro combustível (sólido,líquido ou gasoso). Um caso particular de pirólise e acarbonização (produção de carvão vegetal), umaforma lenta de pirólise, pela queima direta da lenhacom pouco oxigênio;Há tecnologias de pirólise orientadas para obtenção dealcatrão, acido pirolenhoso, bio-óleos e de gasescombustíveis.

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DENDROENERGIA:

� GASEIFICAÇÃO DA BIOMASSANeste processo a biomassa é oxidada (queimada)parcialmente. A gaseificação térmica é semelhante apirólise, exceto que a transformação térmica dosresíduos sólidos é determinada em presença de umaquantidade limitada de ar ou oxigênio, produzindoassim um gás combustível. Este gás pode ser utilizadoem caldeiras ou em turbinas/geradores a combustão.Este processo gera subprodutos sólidos e líquidos.

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PONTOS COMPLEMENTARES.NÃO DISCUTIDOS EM AULA.

� MERCADO E DISPONIBILIDADE DE RECURSOSENERGÉTICOS.

� COMBUSTÍVEIS ALTERNATIVOS.

� PROCESSOS ALTERNATIVOS.

� POLÍTICAS.