manoel f m nogueira-caracterizacao biomassa
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Universidade Federal do ParCentro TecnolgicoDepartamento de Engenharia MecnicaGrupo de Energia, Biomassa & Meio Ambiente
I ESCOLA DE COMBUSTO
BIOMASSA ENERGTICA: Caracterizao de Biomassa
MANOEL FERNANDES MARTINS [email protected]
Florianpolis SCJunho-2007
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTEEstrutura de biomassa vegetal
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTEEsquema global da combusto de slidos
NONCONDENSIBLE VOLATILES (CO, CO2, CO4, NH2, H2O, etc.)
GASEOUS ORGANICEMISSIONS
(i.e. CO, HCs, PAHs)
PARTICULATES(inerts, condensation products, solid
carbon products)OXIDATION PRODUCTS
(i.e. CO2, H2O, O2, H2, NOx)
UNBURNEDCARBON
HEAT WATER VAPOR
REACTIONS
HEAT
HEAT
AIR
HEAT
AIR
HEAT
SOLIDSVOLATILES
COLDREGION
INERTS
SOLID PARTICLE
SOLID PARTICLE
REACTIVE CHAR
REACTION SEQUENCE
HEATING ANDDRYING
SOLID PARTICLEPYROLYSIS
OXIDATION(LEFT AND CENTER IS GAS PHASE REGION; RICHT IS
GAS-SOLIDS REGION
POST COMBUSTION
CONDENSIBLE VOLATILES(i.e. C6 C20 compounds)
RADICALS, FRAGMENTS & PARTIALLY OXIDIZED
COMPOUNDS
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTECaracterizao Energtica de Biomassa - CEB
Anlise Imediata: % mssica em base seca ou mida, c/ ou s/ cinza Umidade, volteis, carbono fixo, cinzas
Anlise elementar: % mssica C, H, N, S e O
Anlise somativa: % mssica Celulose, hemi-celulose, lignina e outras
Composio das cinzas: % mssica K, Na, Ca, Mg, P, Si, Fe
Poder calorfico: (kJ/kg)
Outras propriedades termo-fsicas: Condutividade trmica (kJ/m-K), calor especfico (kJ/kg-K), fusibilidade das
cinzas (K), densidade a granel (kg/m3), massa especfica (kg/m3), porosidade (%), dimenses e formatos, ngulo de repouso.
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTECaracterizao Energtica de Biomassa - CEB
Anlise imediata, elementar e poder calorfico
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTECaract. Ener. Bio: Anlise imediata
Volteis Cinzas Carbono fixo
Casca de arroz 63,6 20,6 15,8
Fibra de coco
70,60 4,7314 24,67
Caroo de aa 79,44 1,1057 19,45
T oC 500
Base seca em % mssica
Entre os volteis esto alcatro e leo que condensam entre 120-150 C
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTE
A anlise imediataumidade (M);percentual de voltil (VM);cinza (UM); carbono fixo (C).
Usando testes segundo as normas da ASTM - American Society for Testing Materials.
o A Umidade quantificada pela perda de peso observada a 110C.
o O percentual de voltil obtido atravs de aquecimento lento para 950C, onde a amostra pesada novamente.
Caract. Ener. Bio: Anlise imediata
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTE
Amostragem e Preparao das Amostras NBR 6923 (Carvo Vegetal Amostragem e Preparao da
Amostra).
Figura 1 Triturador de amostras (a) Fechado (b) Detalhe local de colocao da amostra
Caract. Ener. Bio: Anlise imediata
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTE
Determinao do Teor de Volteis. NBR 8112 (Carvo Vegetal Anlise Imediata). A
aparelhagem e materiais utilizados foram:o Forno (mufla vertical) com temperatura controlada at 1100 C
Mod. VMF / ASTM (Carbolite) Figura 3;o Balana analtica com sensibilidade de 0,001 g;
Caract. Ener. Bio: Anlise imediata
Figura Forno mufla vertical
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTE
Determinao do Teor de Cinzas e Carbono Fixo NBR 8112 (Carvo Vegetal Anlise Imediata). A aparelhagem e
materiais utilizados foram: Forno (mufla horizontal) com temperatura controlada at 1100 C
(Modelo AAF 1100 Carbolite). Balana analtica com sensibilidade de 0,001 g;
Figura Forno mufla horizontal
Caract. Ener. Bio: Anlise imediata
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTE
Propriedades das Biomassas
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
Espcies
Teor
de
Vol
teis
e C
arbo
no F
ixo
(%)
0,00
1000,00
2000,00
3000,00
4000,00
5000,00
6000,00
Pode
r Cal
orfi
co (k
cal/k
g)
Poder Calorf ico Teor de Volteis Teor de Carbono Fixo
CEB: Anlise imediata
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTE
ID Nome Comercial Nome cientfico: PCS (kcal/kg) Carbono Fixo (%) Volteis (%) Cinzas (%) DG (kg/m3)
1 Acapu 4944,30 20,91 78,72 0,3745 250
2 Andiroba Carapa guianensis Aubl. 4720,67 10,14 89,86 0,0002 290
3 Angelim 4183,33 15,13 70,01 14,8550 280
4 Angelim Pedra Hymenolobium spp. 4739,40 17,15 81,56 1,2977 265
5 Angelim vermelho Dinizia excelsa 4881,00 20,34 79,61 0,0457 250
6 Bambu 4533,67 17,78 81,34 0,8777 267
7 Breo 4756,20 14,19 85,62 0,1900 259
8 Buchas trituradas de dend 4142,40 15,23 72,86 9,9105 298
9 Cacho seco de amndoa 4622,67 16,60 80,55 2,8533 200
10 Caroo de aa NT 4576,00 19,45 79,44 1,1057 240
11 Casca de amndoa 5308,33 20,66 77,73 1,6106 220
12 Casca de palmito 3864,67 18,00 76,14 5,8642 240
13Cascas de castanha do
Par 4843,60 27,07 71,04 1,8823 240
14 Cascas de nozes 5039,00 22,49 75,86 1,6515 260
15 Cedro 4827,20 15,27 84,63 0,1031 249
16 Copaba Copaifera spp. 4755,00 9,05 90,87 0,0847 250
17 Cumaru Dipteryx odorata 4810,30 13,29 86,65 0,0658 270
18 Falso Pau-Brasil 5257,20 21,42 78,39 0,1874 220
19 Fibra de coco 4458,33 24,67 70,60 4,7314 282
20 Fibra de dend 3953,18 19,59 76,21 4,2005 200
21 Garapa 4463,00 18,33 78,51 3,1655 200
22 Jatob Hymenaea courbaril 4636,60 19,99 79,63 0,3808 200
23 Louro-Faia Euplassa spp. 4710,00 17,75 82,04 0,2106 230
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTE
A anlise elementar d a composio qumica, e o poder calorfico superior (PCS) dos combustveis. A anlise qumica normalmente lista o carbono, hidrognio, oxignio, nitrognio, enxofre, e percentual de cinza do combustvel em base seca.
CEB: Anlise elementar
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTE
C, H, N, S e por diferena O: Cuidado com a umidade acrescenta H e O base seca
Ex: madeira C3,3-4,9H5,1-7,2O2,0-3,1
CEB: Anlise elementar
C H N S O CinzasCasca de arroz
38,3 4,4 0,83 0,06 35,5 21
Pinheiro 59 7,2 - 32,7 1,13
Caroo de aai
46 6,0 0,8 - 46,0 1,2
Populao H/C aproximadamente 1,5 e de O/C de aproximadamente 0,6
O resultado da anlise elementar permite calcular o poder calorfico superior e inferior
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTE
Exemplo de resultado da anlise elementar
CEB: Anlise elementar
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTE
Exemplo de resultado da anlise elementar
Combustveis Slidos:
Anlise do combustvel de biomassa Combustveis Slidos:
Anlise do combustvel de biomassa
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTECEB: Anlise somativa
b.m.s
mole dura
Celulose C6H10O5 45-50 40-35
Hemi-celulose C5H8O4 25-35 24-40
Lignina C9H10(OCH3)0,9-1,7 25-35 18-25
Celulose
Carvo+H2O+CO+CO2+etc
Alcatro
Volteis
200 2
80 C
280 340 C
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTE
O Poder Calorfico Superior - PCS do combustvel determinado reagindo o combustvel com oxignio em um calormetro e medindo o calor liberado a uma quantidade conhecida de gua. O calor libertado durante este procedimento representa a quantidade mxima de energia que pode ser obtida da transferncia de calor do combustvel.
NBR 8633 (Carvo Vegetal Determinao do Poder Calorfico).
Figura 2 Bomba calorimtrica digital (Modelo C2000 Control, Ike Werke)
CEB: Poder calorfico
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTECEB: Poder calorfico
Lquidos nos produtos inconveniente. Ter vapor de gua nos produtos reduz a quantidade de calor de reao pois o
calor latente de vaporizao no liberado.
Combustvel +
Oxidante
mcomb P T umid.
CO2 + H2O + N2+ Cinzas
mcinzas P T
COMBUSTO
Calor de ReaoQR [kJ]
= kJ
kgR
comb comb
QPCSm
Na base seca uma propriedade [HHV - GCV]
( )= = 2 ,,
H O PR V
comb comb R
mQPCI PCS L Pm m
QCV = calor latente, energia necessria para mudana de fase funo da presso= mH2O*L [L = entalpia de vaporizao]
[LHV - NCV]
PCI depende da umidade da biomassa
QR-V=Qr - Qcv
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTECEB: Poder calorfico
Bomba calorimtrica (adiabtico volume constante)
Anlise elementar [kJ/kg] (C, H, O, S em % massa, b.s.)PCS = - 8419,7 + 479,3 C + 667,6 H + 58,8 O 1207,7 SPCI = PCS[1-w/100] 2,447*w/100 2,447*H/100*9,01[1-w/100]
PCS kJ/kgBC Eq.
Casca de arroz 12600 12700Pinheiro 25000 25334Caroo de aa 19100 19084
C - percentual de carbono, H - percentual de hidrognio,S percentual de enxofre,O - percentual de oxignioW percentual de umidade
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTEExemplo:
kmol kmolkg
kg %
C 6 x 12 = 72 = 44,4 H 10 x 1 = 10 = 6,2 O 16 x 5 = 80 = 49,4
162 100
seca Celulose 5106 OHC
Bomba Calorimtrica: 19,9 MJ/kg
Pela anlise elementar
PCS = -8419,7 + 479,3 x 44,4 + 667,6 x 6,2 + 58,8 x 49,4 - 1207,7 x 0
PCS = 19,9 MJ/kg
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTEExemplo:
OHcelulose kgkg 29018x5162 =
kgMJPCI 18,652,258 x
16290-9,19 ==
( )ucomb
umidOHcombOH
ucomb
scomb
mLmm
PCSmm
PCI,
,,
,
, 22 x
+=
seca Celulose 5106 OHC
Se celulose est com 30% de umidade:
OHH 2 :Assumindo
=10030101,9x
1006,2x447,2
10030x447,2
100301PCSPCI
kgMJPCI 23,12=
kgMJPCI 65,18=
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTECEB: Poder calorfico
PCI decresce com o aumento do teor de umidade.
Teores de umidade acima de 70% inibem chama.
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTECEB composio das cinzas
SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, SO3 (95%) Aumento de teor de cinzas, reduz PCS Cinza pode derreter formando escoria lquida:
Sequncia: Amolece Fundi Flui Solidifica Consequncia: Obstruo, isolamento, cobrimento.
Ca, Mg Facilita o derretimiento das cinzas K dificulta Cl, S, K, Na Promotores de corroso (gases corrosivos, condensaveis
100 150 C)
Cd e Zn Problemas ambientais
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTECEB temperatura de fuso de cinzas
Sintering temp. [C]
Softening temp. [C]
Hemisphere temp. [C]
Melting temp. [C]
Number of samples
Wood (beech, Austria) 1140 1260 1310 1340 1
Wood (spruce, Austria) 1110 - 1340 1410 - 1640 1630 - >1700 >1700 3
Bark (spruce, Austria) 1250 - 1390 1320 - 1680 1340 - >1700 1410 - >1700 3
Bark + mineral impurities (spruce, Austria) 1020 1100 >1700 >1700 1
Miscanthus (Austria) 820 - 980 820 - 1160 960 - 1290 1050 - 1270 27
Miscanthus (Switzerland) - 980 1210 1320 n.s.
Straw (winter wheat, Austria) 800 - 860 860 - 900 1040 - 1130 1080 - 1220 3
Straw (winter wheat, Switzerl) - 910 1150 1290 n.s.
Cereals (winter wheat, Austria) 970 - 1010 1020 1120 - 1170 1180 - 1220 3
Grass (Austria) 890 - 980 960 - 1020 1040 - 1100 1140 - 1170 3
Grass (Germany) 830 - 1130 950 -1230 1030 - 1280 1100 - 1330 9
Grass (Switzerland) - 960 1040 1120 n.s.
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTECEB composio das cinzas
ElementGuiding
concentration in the fuel (wt% on d.b.)
Limiting parameter
Outside guiding concentration ranges,
problems can occur for
Technological possibilities for reducing to guiding ranges
N
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTECEB: Outras propriedades
Densidade granel: massa da biomassa / volume biomassa Define logstica a ser aplicada: transporte, armazenamento. NBR 6922 (Ensaios Fsicos Determinao da Massa Especfica).
o Balana com capacidade mxima igual 130 kg e preciso de 50 gramas;o Caixa de paredes rgidas com as seguintes dimenses internas. 600x600x600
mm, e de massa conhecida.
Condutividade trmica: define a taxa de transferncia de calor da superfcie para o interior da biomassa. Depende da umidade.
o d = densidade relativa da biomassa (mb/Vb)/(m/V)H2Oo w = umidade da biomassa
Calor especfico: define a quantidade de energia necessria para elevar a temperatura da biomassa em 1 F.
Para a madeira seca c = 0,25 + 0,0006T [BTU/lb-oF]
( ) = + +
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EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTEBanco de dados de biomassa
1. IEA Bioenergy: composition of fuels and asheswww.ieabioenergy-task32.com
2. BIOBIB database: resultados de anlises elementares e imediatas mais informaes sobre fusibilidade de cinzaswww.vt.tuien.ac.at
3. Phyllis: composio e dados de biomassawww.ecn.nl/phyllis
EBMAENERGIA, BIOMASSA &
MEIO AMBIENTEReferncias Bibliogrficas
Kaupp, A. State of the art for small scale gas producer-engine systems. Golden: Biomass Energy Foundation Press
Loo, S. V. e J. Koppejan. Handbook of Biomass: Combustion and Co-Firing. Enschede: Twente University Press. 2002. 348 p.
Oliveira, A. G. D. P. e M. F. M. Nogueira. Caracterizao energtica de biomassas Amaznicas. AGRENER 2006. Campinas 2006.
Reed, T. B. Biomass themal conversion. Golden: Biomass Energy Foundation Press. 2002
Tillman, D. A. The Combustion of Solid Fuels and wastes. San Diego: Academic Press. 1991. 378 p.
Ushima, A. H. Combusto de Slidos: IPT 2005.