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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)
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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).
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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Metodologia experimental: T e P
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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
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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.
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Eficiência do código
Comparação das curvas teóricas usando o código com e sem as reações químicas.
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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
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Resultados: hemiceluloses
Perfil de degradação das hemiceluloses versus tempo a 250°C e 5h
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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
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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