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Condicionamento da Biomassa através do processo de Torrefação para injeção na Gaseificação: aspectos fundamentais
Curitiba, Paraná, Brasil24-26 de junho de 2008
Dr Patrick RoussetCirad (Centro de Cooperação Internacional
em Pesquisa Agronômica para o Desenvolvimento)
Generalidades
O uso energético da biomassa pode ser :
• de forma direta, pela combustão,
ou indireta, pelos processos de conversão para a produção de combustíveis energeticamente mais densos (sólido, líquido ou gasoso).
Biomassa –conversões térmicas
Fermentação metânica
Extração de óleo
Pirólise Fermentação alcoólica
Gaseificação
Metano CH4
Óleos vegetais
Carvão óleo
Etanol C2H5OH
Gás combustível
Energia CO2 + H2O
Bioquímica Termoquímica Biomassa
Combustão direta
A biomassa pode ser energeticamente convertida em biocombustíveisbasicamente por duas vias: a via termoquímica e a via bioquímica
Definição
A torrefação :
• Tratamento térmico caracteriza-se pela ausência parcial ou completa de agentes oxidantes (ar), • Fase inicial da pirólise (Ate 280°C) que visa a produção de um combustível sólido.
Fases da pirólise
Fase Temperatura (°C) Produtos
I (endotérmica) Até 200 Água (secagem)
II (endotérmica) 200 a 270-280 Água e ácido acético
III (exotérmica) 280 a 350-380 Carvão, ácido acético, metanol e alcatrão leve
IV (exotérmica) 380 a 500 Carvão e alcatrão
V (exotérmica) Acima de 500 Degradação do carvão
Histórico da torrefação
• 1973 : Primeiro choque petróleo : valorização energética
• 1980 : valorização como madeira tratada • 1990 até hoje : desenvolvimento
industrial : produção marginal
• 2005 até hoje : valorização energética
Torrefação
Todas as propriedades da madeira sofrem alterações graduais de acordo com o aumento da temperatura. A torrefação é justamente o meio pelo qual se busca tais alterações.
1 h
8 h
200° 225° 250° 280°
amostras torrificadas entre 200 e 280°C
Propriedades da madeira torrificada
Propriedades energéticas:Rendimento gravimétrico elevado: 74%Rendimento energético favorável: 90%Poder calorífico superior: 23 800 kJ/kg
Análise imediata: % C: 30% voláteis: 68 % cinzas: 0,35
Propriedades físicas e mecânicas:Diminuição da higroscopicidadeAumento da estabilidade dimensional Alterações das propriedade mecânicas
Objetivos da pesquisa
Objetivos globais:• Pré-condicionamento da biomassa para a produção de biocombustíveis através do processo de gaseificação (leito fluidizado circulante: alta pressão, alta temperatura, micro-partículas <100µm, tempo de residência curto – 4s)
Objetivos específicos: • Avaliar os efeitos da torrefação sobre as propriedades físicas e mecânicas como a friabilidade a fim de usar direto na gaseificação ou em formação de uma massa multi-fásica (líquida, sólida e gás)• Estabelecer um balanço energético
Pesquisas fundamentais
Entender as modificações químicas, físicas e mecânicas passa pela estudo do processo à escala da micro e macro partícula
Necessita de uma ferramenta numérica adaptada para modelizar os eventos que acontecem durante a torrefaçãoFerramenta: Usamos um código numérico de secagem chamado “TransPore” (Perré, 1994)
58 cm12
cm
4 cm
2 cm
8 cm
4 cm
RT
L 0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121.0
1.5
2.0
2.5
3.0P/Patm
0
0.1
0.2
0.3X
Consigne (°C)
T.surface (°C)
X.surface
P.surface
X.centre
T.centre (°C)
P.centre
Temsp (sec)
Tem
péra
ture
(°C
)
Epaisseur = 50 mm
Temps (H)
0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121.0
1.5
2.0
2.5
3.0P/Patm
0
0.1
0.2
0.3X
Consigne (°C)
T.surface (°C)
X.surface
P.surface
X.centre
T.centre (°C)
P.centre
Temsp (sec)
Tem
péra
ture
(°C
)
Epaisseur = 50 mm
Temps (H)
Pesquisas fundamentais
Originalidade desse trabalho: estudar a degradação de cada componente da madeira ( C, H e L) no lugar de uma aproximação global (sólido, gás, carvão)
C
H
Prever as propriedades da madeira torrificada
L
Composição da biomassa
Celulose Hemicelulose Lignina
%
Coníferas 40 a 45 7 a 14 26 a 34
Folhosas 38 a 49 19 a 26 23 a 30
Tronco
0.1 –1m
Tábua10 –
Cerne de crescimento1 – 15 mm
Tracheïdes20 –
40 �mParede celular
1 – 5 �m
rifibrila10 nm
Molécula
< 1nm
12
34
5
6
100 mm
Mic2 –
789
S1S
2S3 1
0 11
12
13
Parâmetros do modelo de pirólise
1 - Celulose: modelo de B-S modificado por Varehgyi (1989)
A K T
V
T
K v
ET = 147 kJ/molAT= 2.51.109 s-1
Ev = 238 kJ/molAv= 1.25.1018s-1
2 - Hemicelulose : modelo de Varehgyi (1989) Modelo de pirólise com 7 reações químicas
A 0,43 G1 + 0.56 S1
0,56 G2 + 0.44 S2
I
II
E1 = 193 kJ/molA1= 7, 94.1016 s-1
EII = 95 kJ/molAII= 5,01.106s-1
Ev+c = 124.3 kJ/molAv+c = 2.77.107s-1
3 - Lignina : modelo de Williams (1993)
A V+C Kv+c
Procedimento de cálculo
Heat and mass transfer model
(Transpore) -Reaction rates ki(T)
Time loop (time t, time increment dt)
YES t = t + dt
dt increased or not (*)
NO dt decreased
Pyrolysis model
-∆HR source of energy -wi Gas concentration
(*) depending on the convergence rate
Evolution test
Metodologia experimental: Reator de pirólise
1 – Reator de torrefação
5 – Armário de controle
2 – Balança eletrônica
6 – Cilindro de N2
3 – Analisador de O2
7 –Computador
4 – Conversor
Metodologia experimental: T e P
Metodologia experimental: T e P
Board
Thermocouple
Connector T/P
Capillary filledwith oil of silicone
Metallic parts strongly tied
Longitudinal direction
Coated film in silicone
Montagem específicapara medir a temperaturae a pressão no mesmoponto.
As placas de aço comsilicone nas extremidadesoferecem a possibilidadede trabalhar comamostras de comprimentopequeno em relação a direção longitudinal
Princípio de modelisação 1D e 2D
Airflow acrosstimber
R
T
LR
T
1D
2D
∞∞
Pranchas com surperfície de troca de calor segundo uma ou duas direções.
Eficiência do código
Comparação das curvas teóricas usando o código com e sem as reações químicas.
Resultados:Curvas teóricas de temperatura e de pressão no corpo de prova
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120
Simulation
Surface
Core
Time (min)
Pres
sure
(P/P
atm)
(a)
(b)
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120
Simulation
Core
Surface
Oven T°C
Time (min)
Tem
pera
ture
(°C)
Fenômeno de exotermia
Duplo pico de pressãodevido a evaporação da água e a produção do gás de pirólise
Resultados: hemiceluloses
Perfil de degradação das hemiceluloses versus tempo a 250°C e 5h
Conclusões e perspectivas
Conclusões:• Modelo adaptado para a torrefação• Possibilidade de predição dos perfis de temperatura, massa e de pressão na madeira• Associar as propriedades mecânicas à degradação dos componentes da madeira e modelizar propriedades comofriabilidade que interessem ao projeto final.
gazeificação
torrefação trituraçao Formulação
Modificaçõesmecanicas Fischer trops
biocombustivel
Biomassa
Obrigado
Condicionamento da Biomassa através do processo de Torrefação para injeção na Gaseificação: aspectos fundamentais
Curitiba, Paraná, Brasil24-26 de junho de 2008
Dr Patrick RoussetCirad
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