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Características da Combustão de Biomassa Torrada num Reator de Queda Livre
Francisco Fernández dos Santos Portela Costa
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Orientador: Professor Doutor Mário Manuel Gonçalves da Costa
Júri
Presidente: Professor Doutor Viriato Sérgio de Almeida Semião Orientador: Professor Doutor Mário Manuel Gonçalves da Costa
Vogal: Professor Doutor Edgar Caetano Fernandes
Maio de 2014
ii
iii
Agradecimentos
Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao meu orientador, Professor Doutor Mário Manuel
Gonçalves da Costa, por todo o apoio e amizade prestadas ao longo da elaboração da minha
tese de mestrado.
Agradeço ao Doutor Gongliang Wang por toda a ajuda e aconselhamento prestados no
desenvolvimento do trabalho.
Agradeço ao Manuel Pratas por todo o apoio na montagem da instalação, e auxílio prestados
durante todo o trabalho experimental desenvolvido nesta tese.
Agradeço ao Tiago Carvalho pela sua disponibilidade ao longo de todos os ensaios,
nomeadamente na ajuda a nível laboratorial, e por todas as ajudas e discussões sobre a tese.
Agradeço ao Jorge Coelho pelo tratamento das imagens da minha tese de mestrado.
Agradeço também a todos os meus colegas de laboratório, nomeadamente ao Bruno
Bernardes, ao António Silva, à Mafalda Henriques, ao Ulisses Fernandes, ao João Pina e à
Isabel Ferreiro por toda ajuda durante o desenvolvimento do presente trabalho.
Agradeço à minha família, em especial à minha Mãe, ao meu Pai e ao meu Avô por toda a
ajuda e todo o apoio durante todas as fases da minha vida.
Por fim, mas não com menos importância, agradeço à Joana, por todo o encorajamento, não
só durante a realização do trabalho, como no meu percurso de vida.
iv
v
Artigos com Origem no Presente Trabalho
Congressos internacionais/Revistas internacionais
Costa, F.F., Gongliang Wang, Costa, M., Combustion Kinetics and Particle Fragmentation of
Raw and Torrified Biomass in a Drop Tube Furnace, Aceite para apresentação oral no 35th
International Symposium on Combustion, San Francisco, California, U.S.A., 3-8 Agosto 2014.
Em processo de revisão para publicação nos Proceedings of the Combustion Institute.
Congressos nacionais:
Costa, F.F., Gongliang Wang, Costa, M., Avaliação do processo de combustão de biomassa
torrada num reator de queda livre. Actas do VII Encontro Nacional do Colégio de Engenharia
Mecânica, A Indústria e a Engenharia Portuguesa – Desafios e Perspetivas, Lisboa, 14-15 de
Março de 2014.
vi
vii
Resumo
A torrefação é um processo que consiste em expor a biomassa a uma atmosfera inerte a
temperaturas entre 260 °C e 300 °C. Nestas condiçõe s, a hemicelulose é degradada e a
humidade e alguns compostos de baixo poder calorífico são removidos da biomassa original.
Deste processo resulta um material com características entre a biomassa e o carvão. O
presente estudo avalia o processo de combustão de biomassa torrada num reator de queda
livre (RQL). Foram estudados dois tipos de biomassa, nomeadamente casca de pinheiro e
bagaço de azeitona, as quais foram torradas num ambiente inerte de azoto a temperaturas
entre 280 °C e 300 °C. As biomassas originais e tor radas foram posteriormente queimadas no
RQL. Os resultados obtidos incluem temperaturas e valores de burnout medidos ao longo do
RQL para cinco temperaturas impostas às paredes do reator (900, 950, 1000, 1050 e 1100 ºC).
Foram ainda medidas as concentrações e distribuição das dimensões das partículas
resultantes do processo de combustão para uma condição de operação do RQL em duas
posições distintas, sensivelmente a meio do RQL e à sua saída. Os resultados mostraram que
1) o poder calorífico superior da biomassa torrada é superior ao da biomassa original,
aumentando em cerca de 25% para a casca de pinheiro e em cerca de 18% para o bagaço de
azeitona; 2) contrariamente ao observado para o bagaço de azeitona torrado, a casca de
pinheiro torrada necessita de tempos de residência no RQL semelhantes para atingir valores
de burnout próximos da casca de pinheiro não torrada; 3) os parâmetros cinéticos para ambos
as biomassas, original e torrada, mostram que a torrefação reduz a energia de ativação do
resido carbonoso; e 4) a torrefação não aumenta a fragmentação de partículas, mesmo para
biomassas que apresentem elevada tendência para esse fenómeno.
Palavras-chave
Reator de queda livre; biomassa; biomassa torrada; cinética da combustão; fragmentação de
partículas.
viii
ix
Abstract
Torrefaction is a process that consists on exposing biomass to an inert atmosphere in
temperatures between 260 °C and 300 °C. In such conditions, the moisture content of the
biomass strongly decreases and the hemicellulose content reduces, leading to a release of
some low calorific value volatiles. This process allows obtaining a product, whose properties
stands between biomass and coal. This study focuses on the combustion kinetics and particle
fragmentation of raw and torrified biomass in a drop tube furnace (DTF). Two biomass fuels
were studied, namely pine shells and olive stones. Both biomass fuels have been torrified in a
nitrogen inert atmosphere at 280-300 ºC. Both the raw and torrified biomass fuels were then
burned in the DTF. The data reported includes gas temperatures and particle burnout measured
along the DTF for five furnace temperatures (900, 950, 1000, 1050 and 1100 ºC). In addition,
measurements of particulate matter (PM) concentrations and size distributions were made for
the two biomass fuels at 1100 ºC in the middle and near the exit of the DTF. The results showed
that 1) the high heating value of the torrified biomass fuels are higher than those of the raw
biomass fuels; specifically, for pine shells it increased by 25% and for olive stones by 18%; 2) in
contrast with the torrified olive stones, the torrified pine shells require similar residence times to
attain overall burnout values comparable to those of the untreated material; 3) the kinetic data
for both fuels, raw and torrified, indicates that the torrefaction reduces the activation energy of
the present biomass chars; and 4) torrefaction does not promote particle fragmentation even for
biomass fuels that present high tendency for it.
Keywords
Drop tube furnace; raw biomass; torrified biomass; combustion kinetics; particle fragmentation.
x
xi
Índice de Conteúdos
1. Introdução ............................................................................................................................... 1
1.1 Âmbito e enquadramento ............................................................................................... 1
1.2 Composição estrutural da biomassa ............................................................................ 3
1.3 Fundamentos da combustão da biomassa .................................................................. 4
1.4 Torrefação de biomassa ................................................................................................. 7
1.5 Fragmentação de partículas ........................................................................................ 10
1.6 Estudos anteriores ......................................................................................................... 11
1.7 Objetivos ......................................................................................................................... 15
2. Instalação experimental ...................................................................................................... 17
2.1 Descrição do torrador de biomassa ............................................................................ 17
2.2 Descrição do reator de queda livre ............................................................................. 18
2.3 Métodos e incertezas experimentais .......................................................................... 21
2.3.1 Medição de temperaturas ...................................................................................... 21
2.3.2 Captura e cálculo do burnout da partícula .......................................................... 21
2.3.3 Concentração e distribuição de tamanhos de partículas ................................. 22
3. Resultados e discussão ...................................................................................................... 25
3.1 Condições dos testes .................................................................................................... 25
3.2 Biomassa original vs biomassa torrada ...................................................................... 25
3.3 Perfis de temperatura e burnout da partícula ............................................................ 27
3.4 Parâmetros cinéticos ..................................................................................................... 29
3.5 Fragmentação de partículas ........................................................................................ 33
4. Fecho ..................................................................................................................................... 35
4.1 Conclusões ..................................................................................................................... 35
4.2 Trabalhos futuros ........................................................................................................... 35
5. Referências ........................................................................................................................... 37
xii
Índice de Figuras
Figura 1 – Balanço do carbono resultante da queima de biomassa (MADRP, 2005). a)
Fixação de CO2 pela biomassa. b) Libertação de O2 devido à fotossíntese. c)
Extração de carbono fixo presente na biomassa. d) Libertação de CO2 durante a
combustão 2
Figura 2 – Balanço mássico (M = uma unidade de massa) e energético (E = uma unidade de energia)
à torrefação, 8
Figura 3 – Biomassa antes e após a torrefação 9
Figura 4 – Torrefação integrada numa cadeia de valorização de biomassa 10
Figura 5 – Esquema da instalação usada para a torrefação da biomassa. 17
Figura 6 – Fotografia da instalação usada para a torrefação de biomassa 18
Figura 7 – Esquema do RQL 19
Figura 8 – Fotografia do RQL e do equipamento auxiliar 20
Figura 9 – Sonda de termopar usada para medir a temperatura no interior do RQL 21
Figura 10 – Diagrama de van Krevelen 26
Figura 11 – Perfis de temperatura ao longo do eixo do RQL. a) Casca de pinheiro, b) casca
de pinheiro torrada, c) bagaço de azeitona, d) bagaço de azeitona torrado 27
Figura 12 – Perfis de burnout da partícula ao longo do RQL. a) Casca de pinheiro, b) casca
de pinheiro torrada, c) bagaço de azeitona, d) bagaço de azeitona torrado 28
Figura 13 – Regressão linear para avaliação dos parâmetros cinéticos dos combustíveis. a)
300 < x < 500 mm, b) 500 < x < 700 mm, c) 700 < x < 900 mm, d) 900 < x < 1100
mm 31
Figura 14 – Concentração de partículas em x = 500 mm e x = 1100 mm para a temperatura
do RQL de 1100 °C a) Casca de pinheiro, b) casca de pinheiro torrada, c)
bagaço de azeitona, d) bagaço de azeitona torrado 33
xiii
Índice de Tabelas
Tabela 1 – Combustíveis utilizados nas principais regiões do mundo (106 bep) [1] 1
Tabela 2 – Propriedades da biomassa original, torrada, e do carvão 23
Tabela 3 – Parâmetros cinéticos das biomassas estudadas 32
xiv
Nomenclatura
Abreviaturas
IEA International Energy Agency
MADRP Ministério da Agricultura, Desenvolvimento Regional e das Pescas
VM Matéria Volátil
VOC Volatile Organic Compounds
TGA Thermogravimetric Analysis
RQL Reator de Queda Livre
PID Proportional-Integral-Derivative Controller
CEN Comité Européen de Normalisation
ASTM American Standard for Testing Methods
xv
Lista de símbolos
Caracteres romanos
A Área da partícula [m2]
Ac Fator pré-exponencial para a combustão do resíduo carbonoso [s-1]
Av Fator pré-exponencial para a desvolatilização [s-1]
D Diâmetro do reator ou diâmetro da ponta do termopar [m]
Ec Energia de ativação para a combustão do resíduo carbonoso [kJ/mol]
Ev Energia de ativação para a desvolatilização [kJ/mol]
Nu Número de Nusselt [-]
k Condutividade térmica do ar [W/m.K] ��� Pressão parcial de oxidante [Pa]
R Constante universal dos gases perfeitos [J/mol.K]
R2 Coeficiente de correlação [-]
T Temperatura da partícula [K]
Tt Temperatura do termopar [K]
Tgas Temperatura do gás [K]
Tw Temperatura da parede [K]
wt% Percentagem mássica [%]
x Distância axial desde o ponto de injeção [m] ���� Perda mássica de resíduo carbonoso com o tempo [Kg/s]
���� Perda mássica de matéria volátil com o tempo [Kg/s]
Caracteres gregos
Ψ Burnout da partícula [%]
ωf Fração mássica de cinzas, em base seca, na biomassa inicial [-]
ωx Fração mássica de cinzas, em base seca, na amostra [-]
xvi
1
1. Introdução
1.1 Âmbito e enquadramento
A biomassa constitui uma fonte renovável de enorme importância para a produção de energia,
sendo largamente utilizada e incentivada por países em desenvolvimento e desenvolvidos. De
facto, e de acordo com as estatísticas da International Energy Agency [1] (IEA) apresentadas
na tabela 1, a biomassa representa cerca de 8% das necessidades de energia primária a nível
mundial.
Região Petróleo Gás
Natural Carvão Biomassa Total
América
Latina 3.556,50 1.242,06 315,66 764,33 5.878,55
África 2.869,65 917,28 990,78 726,98 5.504,69
Ásia e
Austrália 2.707,67 2.013,98 9.494,88 1.557,80 15.774,33
Médio
Oriente 7.880,85 1.670,99 4,32 7,93 9.564,09
América
do Norte 3.480,33 4.734,11 4.212,42 599,12 13.025,98
Antiga
União
Soviética
3.697,29 4.689,44 1.516,68 312,85 10.216,26
Europa 2.197,07 1.950,57 1.610,58 255,46 6.013,68
Total 26.389,36 17.218,43 18.145,32 4.224,47 55.761,32
Tabela 1 – Combustíveis utilizados nas principais regiões do mundo (106 bep) 1 bep = 6,383 GJ, 2012 [1].
De acordo com a tabela 1, é possível observar que, nos países em desenvolvimento, o uso da
biomassa é mais predominante, enquanto nos países desenvolvidos a sua utilização é menor,
quando comparada com o consumo de combustíveis fósseis. Por outro lado, e devido à maior
preocupação ambiental derivada da queima de combustíveis fósseis, a biomassa tem
despertado um maior interesse nos países desenvolvidos, sendo expectável o seu crescimento
acentuado nos próximos anos.
2
A biomassa é considerada um combustível de excecional potencial energético não só devido à
sua disponibilidade como à sua segurança de abastecimento, permitindo ainda uma redução
da emissão de gases com efeito de estufa, como o CO2.
A figura 1 esquematiza o balanço do carbono resultante da queima de biomassa. É possível
observar que a biomassa tem um balanço neutro de carbono. Durante a vida celular, a
biomassa fixa carbono através de processos de fotossíntese, sendo este posteriormente
libertado durante a combustão. Deste modo, não há aumento da concentração de gases com
efeito de estufa, como o CO2, devido à queima de biomassa. Este aspeto é importante realçar,
pois demonstra uma importante vantagem da biomassa face aos combustíveis fósseis.
Figura 1 – Balanço do carbono resultante da queima de biomassa (MADRP, 2005) [2]. a) Fixação de CO2
pela biomassa, b) libertação de O2 devido à fotossíntese, c) extração de carbono fixo presente na
biomassa, d) libertação de CO2 durante a combustão.
É ainda de referir outras vantagens do uso da biomassa como combustível, como, por
exemplo, o seu relativo baixo custo, que permite competir fortemente com os combustíveis
fósseis, a sua grande diversidade, que possibilita uma maior adaptação a diferentes sistemas
de combustão e, ainda, a possibilidade de se integrar parcialmente na queima com o carvão
(co-combustão).
No entanto, numa sociedade focada nos efeitos negativos da queima de combustíveis fósseis,
é necessário um conhecimento mais aprofundado e um melhoramento contínuo da biomassa
de modo a torná-la mais interessante do ponto de vista energético, aproximando-a das
características presentes no carvão. Assim, é necessário ultrapassar algumas das
desvantagens inerentes à biomassa, nomeadamente:
3
1. Baixo poder calorífico (10-17 MJ/kg);
2. Elevado teor de humidade (até ~50%);
3. Comportamento higroscópico;
4. Pouco uniforme (com elevada diferença de tamanhos e formas);
5. Difícil e dispendioso processo de estilhaçamento, corte e pulverização;
6. Quantidade significativa de matéria inorgânica (Ca, Si e K);
7. Graves problemas relacionados com as cinzas (fusão, aglomeração);
8. Elevada emissão de nanopartículas.
Por forma a ultrapassar este conjunto de desvantagens inerentes à biomassa têm sido
publicados muitos estudos, sugerindo um vasto conjunto de técnicas e pré-tratamentos de
conversão físicas, térmicas, químicas, e biológicas da biomassa [3]. Entre estes métodos, a
conversão térmica tem sido o que mais atenção tem despertado entre a comunidade científica.
1.2 Composição estrutural da biomassa
Como é do conhecimento geral a biomassa, de origem lignocelulósica, pode ser dividida em
três constituintes estruturais, a celulose, a hemicelulose e a lignina. A celulose é constituída por
estruturas macromoleculares compostas por cadeias semi-cristalinas associadas com outras
moléculas delimitadas por átomos de hidrogénio. A hemicelulose é caracterizada por polímeros
lineares, normalmente substituídas por outras cadeias de açúcares para prevenir a formação
de outras estruturas cristalinas. A lignina é constituída por um polímero fenólico,
maioritariamente constituinte das paredes celulares, que concede resistência mecânica e
resistência a ataques enzimáticos.
Em geral, a decomposição térmica da hemicelulose ocorre a temperaturas entre 150 °C e
350 °C, enquanto para a celulose ocorre para temperaturas entre 300 °C e 350 °C. No caso da
lignina a sua decomposição dá-se a temperaturas superiores que podem chegar a 500 °C [4,5].
Sheng e Azevedo [6] desenvolveram correlações para o cálculo dos três constituintes
estruturais da biomassa, com base na sua análise elementar e imediata:
4
��� = −1019,07 + 293,810(�/�) − 187,639(�/�)� + 65,1426(!/�) − 19,3025(!/�)� +21,7448("#) − 0,132123("#)�(1) %&'(&() = 612,099 + 195,366(�/�) − 156,535(�/�)� + 511,357(!/�) − 177,025(!/�)� −24,3224("#) + 0,145306("#)� (2)
A hemicelulose é calculada por diferença [6].
Esta correlação foi desenvolvida para um elevado número de amostras de biomassa com
rácios molares de O/C entre 0,56 e 0,83, H/C entre 1,26 e 1,69 e VM entre 73% e 86%, todos
os valores em base seca , sem cinzas. O coeficiente de correlação obtido pelos autores foi de
0,90 para a celulose e 0,81 para a lignina.
1.3 Fundamentos da combustão da biomassa
A combustão da biomassa é constituída pelas seguintes fases: aquecimento, secagem,
desvolatilização, combustão dos voláteis e combustão do resíduo carbonoso. Este processo
pode ser esquematizado da seguinte forma [7]:
*&�+) )ℎú+&.) → )0�1&+(2�/ 1)'+ → 3&�+) ) 1)
*&�+) ) → 4�)2& ()1)25õ ') ) + 5 &.��1)53�(� �
"�)2& + )5 → �� + ���(+!�,+7�&'+,+á1&.� &(�5'â(&1� ) : &.��1)53�(� � + )5 → �� +��� + 1&(;)
A biomassa é composta essencialmente por três frações, a humidade, a matéria volátil e o
resíduo carbonoso. Durante a combustão da biomassa ocorre primeiro a libertação da
humidade, posteriormente a libertação e oxidação da matéria volátil e, seguidamente, a
combustão do resíduo carbonoso, resultando por fim as cinzas. Nalgumas circunstâncias a
desvolatilização e combustão do resíduo carbonoso podem ocorrer (parcialmente) em
simultâneo.
5
Seguidamente é apresentada, em mais detalhe, cada um dos processos característicos da
combustão da biomassa.
Secagem da partícula e aquecimento
A transferência de calor e massa controlam estes dois processos endotérmicos, tornando a
temperatura e o tamanho da partícula variáveis muito importantes. A energia necessária para
este processo é função da humidade presente na partícula, da sua dimensão e das suas
propriedades como a difusidade mássica, condutibilidade térmica e calor específico. O
processo de secagem caracteriza-se pela passagem da humidade à fase gasosa, movendo-se
pelos poros da partícula até à sua superfície.
É importante realçar que a humidade pode ser significativamente importante no processo de
combustão da biomassa já que alguns tipos de biomassa podem conter até 50% de humidade;
mesmo em ambiente seco este valor pode atingir valores na ordem de 15% a 20% de
humidade [7], contrastando com os teores de humidade observados no carvão.
Desvolatilização
A desvolatilização ocorre nas primeiras fases de combustão da biomassa, e desempenha um
papel muito importante devido ao elevado teor de voláteis característicos da biomassa.
Tipicamente, a desvolatilização inicia-se entre 160 °C e 250 °C para a biomassa enquanto para
o carvão betuminoso apenas se inicia em torno de 350 °C [8-12]. A quantidade e o tipo de
produtos resultantes da pirólise dependem não só da temperatura final como da taxa de
aquecimento da partícula, sendo também influenciada pelo tamanho da partícula. Um
aquecimento rápido associado a uma temperatura elevada origina a libertação de uma maior
quantidade de voláteis. As temperaturas elevadas favorecem a produção de gases em
detrimento dos voláteis orgânicos e alcatrões. Assim, durante a combustão da biomassa, os
voláteis que são libertados durante o aquecimento da partícula quebram-se formando CO, CO2,
H2O, assim como CH4, VOC, H2 e alguns vestígios de produtos inorgânicos [13-15].
É de notar que a matéria volátil na biomassa contem cerca de 70% do calor libertado na
combustão, enquanto no carvão a matéria volátil apenas representa tipicamente 36% do seu
poder calorifico. Assim, a combustão da matéria volátil domina a combustão da biomassa,
sendo a combustão do resíduo carbono de menor importância em termos de eficiência
energética quando comparado com o carvão. No entanto o resíduo carbonoso da biomassa
pode conter cerca de um terço do seu poder calorifico o que torna importante o conhecimento
dos hidrocarbonetos não queimados aglomerados nas cinzas [7].
6
Combustão do resíduo carbonoso
A combustão do resíduo carbonoso representa aproximadamente 10% a 30% da massa total
da biomassa. No entanto, enquanto para o carvão os fenómenos de combustão do resíduo
carbonoso já se encontram relativamente bem estudados [16-19], só uma quantidade limitada
de informação está publicada sobre a reatividade e as taxas de combustão do resíduo
carbonoso da biomassa. É geralmente aceite que o resíduo carbonoso da biomassa é mais
reativo que o do carvão devido à sua estrutura desordenada. Este facto é de tal maneira
importante nas primeiras fases de combustão do resíduo carbonoso que este queima
praticamente sobre controlo da difusão em chamas de alta temperatura [20,21]. Relativamente
a este ponto é ainda importante reforçar que, ao contrário das partículas de carvão, que
durante a combustão tendem a assumir uma forma esférica, muitas partículas de biomassa
retêm a sua forma irregular o que dificulta o seu estudo relativamente ao carvão. Este facto
parece depender na quantidade de celulose e de potássio presentes na biomassa [22].
Os processos descritos acima podem ser claramente identificados quando a taxa de
aquecimento é baixa, até 30 °C/min. Quando as taxas de aquecimento são muito elevadas e
próximas das situações reais de combustão, da ordem de 105 °C/min, a desvolatilização e a
combustão do resíduo carbonoso ocorrem simultaneamente. Por outro lado, e devido a este
desvio entre as condições reais e as condições laboratoriais, como, por exemplo, na análise
termogravimétrica (TGA), a quantidade de matéria volátil efetiva é superior à revelada pela
análise imediata, como sugerido anteriormente.
Cinética química da combustão de biomassa lignocelulósica
De acordo com Di Blasi [23], e como descrito anteriormente, a oxidação da biomassa
lignocelulósica está associada a duas principais reações distintas, a desvolatilização e a
combustão do resíduo carbonoso.
No que diz respeito à desvolatilização, os modelos matemáticos aplicados são
maioritariamente de primeira ordem, descrevendo a libertação de voláteis. Esta reação pode
ainda ser desdobrada em duas reações distintas de primeira ordem. Uma primeira reação
ligada à degradação da hemicelulose e outra relacionada com a degradação da celulose. A
cada um destes processos está associada uma determinada energia de ativação, característica
de cada processo.
7
Por seu lado, a combustão do resíduo carbonoso está relacionada com a composição de
lignina presente num determinado tipo de biomassa. A este processo de degradação está
associado também uma energia de ativação, característica de cada tipo de biomassa.
Naturalmente que cada reação descrita anteriormente pode ser dividida em reações
elementares, cada uma caracterizada por uma energia de ativação distinta.
Devido à forte variabilidade da biomassa, existe uma grande diferença em termos de
combustão e, consequentemente, a nível cinético entre diferentes biomassas. Este facto deve-
se maioritariamente não só às diferenças estruturais dos constituintes da biomassa, mas
também aos teores de metais presentes nas cinzas [23].
Em termos globais a energia de ativação relativa à desvolatilização toma valores tipicamente
entre 20 kJ/mol e 100 kJ/mol, enquanto para a combustão do resíduo carbonoso os valores
estão compreendidos entre 70 kJ/mol e 260 kJ/mol.
1.4 Torrefação de biomassa
A torrefação é um pré-tratamento realizado à biomassa, à pressão atmosférica, que permite
melhorar significativamente as suas propriedades. Este pré-tratamento consiste em expor a
biomassa num ambiente inerte, usualmente azoto devido a razões económicas, a uma
temperatura constante entre 250 °C e 300 °C durante um período entre 30 minutos a 2 horas.
Este processo permite reduzir o teor de hemicelulose da biomassa libertando alguns
compostos de baixo poder calorífico, como o O2, CO, CO2 e alguns ácidos orgânicos, assim
como libertar, quase na totalidade, a quantidade de humidade presente na biomassa. Como é
possível observar na figura 2, após a torrefação a perda mássica do produto é da ordem de
30% enquanto apenas 10% do conteúdo energético se liberta. Deste modo consegue-se
densificar energeticamente a biomassa.
8
Figura 2 – Balanço mássico (M = uma unidade de massa) e energético (E = uma unidade de energia) à
torrefação,
Para além da densificação energética da biomassa, este processo transforma quimicamente a
biomassa, trazendo outras importantes vantagens. Através da torrefação, a biomassa adquire
uma estrutura frágil o que facilita e diminui a energia necessária para processos de corte,
estilhaçamento e pulverização. Este aspeto é determinante no que diz respeito a biomassas
como a palha que são combustíveis que colocam grandes dificuldades à sua moagem. Outra
vantagem deste processo consiste na natureza hidrofóbica da biomassa torrada, a qual
apresenta um comportamento químico que repele a humidade. Deste modo, a biomassa
torrada apresenta um menor custo de armazenamento já que pode ser colocada num ambiente
húmido sem que isso prejudique posteriormente o processo de combustão. Por outro lado, e
graças à densificação energética, o custo de transporte também diminui. A biomassa torrada
tem ainda razões de H/C e O/C inferiores à biomassa original, o que a aproxima
significativamente do carvão [24-30].
Estudos com foco nos benefícios da torrefação como pré-tratamento da biomassa relatam que,
no que diz respeito à energia de estilhaçamento, corte e pulverização, a biomassa torrada
necessita de um consumo energético 50-85% inferior ao da biomassa original [31,32]. Quanto
ao aumento de poder calorífico, Deng et al. [33] torraram palha de arroz e pedúnculos de colza
para avaliar o potencial da biomassa torrada na co-gasificação, relatando um aumento de
poder calorifico na ordem de 16%. Arias et al. [34] demonstraram ainda que, devido ao
processo de torrefação, a biomassa ganha propriedades hidrofóbicas, diminuindo
significativamente os custos de armazenamento e melhorando a eficiência da combustão da
biomassa.
A figura 3 mostra o aspeto da biomassa antes e após a torrefação.
BIOMASSA
1M 0.7M
0.3M 0.1E
250 - 300 ºC
0.9E1E
GASES
Celulose Celulose
Lignina Lignina
Hemicelulose Hemicelulose
1.3 E/M
BIOMASSA TORRADA
9
Figura 3 – Biomassa antes e após a torrefação.
A literatura revela que a torrefação tem um potencial elevado para o melhoramento das
propriedades da biomassa. No entanto, apesar dos impressionantes estudos descritos na
literatura, existe muita informação que ainda não foi analisada em detalhe suficiente, como é o
caso da avaliação cinética da combustão da biomassa torrada assim como a influência da
torrefação na fragmentação de partículas. Estes são os principais aspetos em que este
trabalho se foca.
Tecnologia associada à torrefação
A figura 4 mostra esquematicamente como integrar a torrefação numa cadeia global de
valorização energética. Como é possível observar, a torrefação pode ser integrada numa
cadeia para acrescentar valor à biomassa. Assim, e após a pré-secagem, a biomassa pode ser
torrada e posteriormente densificada, o que aumenta significativamente o potencial deste
combustível. Por outro lado, os voláteis de baixo poder calorífico, podem ser reaproveitados de
modo a gerar algum do calor necessário aos processos de tratamento da biomassa, como a
pré-secagem e a torrefação, tornando o rendimento energético do processo superior quando
comparado como a torrefação como um processo isolado.
10
Figura 4 – Torrefação integrada numa cadeia de valorização de biomassa.
1.5 Fragmentação de partículas
Durante a combustão, a partícula pode quebrar e dar origem a duas ou mais partículas,
diminuindo significativamente o seu tamanho. Este fenómeno, denominado como
fragmentação, é extremamente nocivo para a saúde humana e meio ambiente dado que as
nano partículas resultantes são dificilmente capturáveis através sistema convencionais de
tratamento de gases e, consequentemente, são emitidas para a atmosfera.
A fragmentação de partículas tem tido uma forte atenção por parte da comunidade científica e,
em especial, nas caldeiras domésticas de combustão de pellets energéticas de biomassa. Os
estudos nesta área são ainda pouco aprofundados e com um caracter muito qualitativo,
baseando-se maioritariamente na dimensão média das partículas durante a combustão, como
é o caso dos trabalhos de Xu et al. [35], Wen et al. [36] e Li et al. [37]. Outros trabalhos, como o
de Seames [38], focaram o estudo em imagens de microscópio eletrónico para, através da
morfologia e tamanhos de partículas, avaliar a extensão da fragmentação das partículas.
Por outro lado, a esmagadora maioria dos trabalhos nesta área foram realizados com carvão,
onde a combustão ocorre com o diâmetro da partícula aproximadamente constante. No caso
da biomassa, e como descrito anteriormente, esta retém a forma irregular, variando fortemente
o seu diâmetro médio durante a combustão, o que torna a avaliação da fragmentação por
microscópio eletrónico inconclusiva.
CombustãoCombustível fóssilbiomassa ou produto
Reaproveitamentode calor
TorrefaçãoBiomassa Pré-secagem Arrefecimento Densificação Produto
Syngasvapor de água
Limpeza de gás
Limpeza de gás
11
O presente trabalho avalia a fragmentação das partículas com recurso à captura de partículas
em diferentes estágios do processo de combustão, procurando assim avaliar inequivocamente
a extensão do processo de fragmentação das partículas.
1.6 Estudos anteriores
Nesta seção, os trabalhos anteriores são analisados por forma a melhor compreender a
evolução dos estudos sobre torrefação e combustão de biomassa torrada, assim como
descrever, de forma breve, os objetivos dos trabalhos e as suas principais conclusões. A seção
encontra-se organizada por trabalhos anteriores em torrefacção, cinética/avaliação da
combustão de biomassa torrada e fragmentação de partículas.
Torrefação
A torrefação tem sido largamente estudada com a finalidade de melhorar as propriedades da
biomassa como um combustível para produção quer de calor quer de energia elétrica. Assim,
os desenvolvimentos nesta área recaem não só sobre o aumento do poder calorífico da
biomassa, como também pelo melhoramento das propriedades físicas, como a menor energia
de moagem necessária para processos de pulverização, entre outras descritas anteriormente.
Mais recentemente, foram publicados estudos que analisam a biomassa torrada do ponto de
vista da combustão e da cinética química, mencionando energias de ativação e comparando a
sua estrutura lignocelulósica com a da biomassa original. Estes estudos são apresentados na
secção seguinte relativa à cinética química da combustão da biomassa torrada.
Chen e Kuo. [39] estudaram a influência da torrefação na estrutura lignocelulósica de vários
tipos de biomassa com recurso à termogravimetria. O objetivo deste trabalho foi o de perceber
quais as diferenças a nível morfológico e estrutural da biomassa após serem torradas a
diferentes temperaturas. Os autores conseguiram observar a degradação isolada de cada um
dos três constituintes da biomassa, a celulose, hemicelulose e lignina. Chen e Kuo [39]
concluíram que as diferenças entre a biomassa original e a biomassa torrada são
principalmente ao nível da quantidade de hemicelulose que se reduz durante a torrefação. Por
outro lado, os resultados mostram que, em termos de eficiência energética, a torrefação menos
severa, a mais baixa temperatura, é aquela que gera maior potencial em termos de valorização
da biomassa. Este estudo é importante pois expõe as principais diferenças morfológicas entre
a biomassa original e a biomassa torrada o que contribui significativamente para prever o
comportamento do combustível durante o processo de combustão. Estas diferenças no
processo de combustão, devido à mudança estrutural da biomassa torrada, são referidas e
comentadas ao longo deste trabalho.
12
Repellin et al. [27] avaliaram a energia necessária para a pulverização de madeira torrada.
Para tal, os autores torraram madeira a várias temperaturas distintas e durante tempos de
residência distintos. Posteriormente, as amostras foram colocadas num moinho de 0,5 mm e foi
avaliada a energia necessária para a pulverização e medido, por difração laser, o tamanho das
partículas resultantes. Os resultados mostraram que não só a energia de pulverização é
significativamente inferior no caso da biomassa torrada, diminuindo com a temperatura final de
torrefação, como a torrefação origina menores partículas após a pulverização, quando
comparado com a biomassa não tratada. Este trabalho mostra a importância da torrefação no
que diz respeito à energia necessária para cortar a biomassa. Como é do conhecimento geral,
o estilhaçamento de biomassa é um processo difícil e dispendioso, sendo que a torrefação vem
facilitar o corte da biomassa assim como originar partículas mais pequenas, o que pode ser
encarado como uma vantagem na co-combustão com carvão. A aproximação química e
morfológica da biomassa torrada com o carvão é uma importante vantagem da torrefação de
biomassa, que pode ser observada nos resultados da presente tese.
Combustão de biomassa torrada e cinética química
No que diz respeito ao estudo da cinética química da biomassa torrada ainda muito trabalho
terá de ser desenvolvido para melhor conhecer os fenómenos que dominam o processo de
combustão [40]. O estudo da caracterização da combustão a nível cinético tem sido
desenvolvido por vários autores recorrendo a uma análise TGA, afastando-se do caso real de
combustão, por forma a perceber, a nível elementar, a cinética da combustão da biomassa
torrada. Por outro lado, é geralmente aceite que a energia de ativação necessária para a
desvolatilização da biomassa torrada é, nos primeiros estágios, superior à da biomassa
original, já que durante a torrefação houve libertação de alguma matéria volátil. Por outro lado,
a energia de ativação para a combustão do resíduo carbonoso da biomassa torrada ainda se
encontra pouco estudada, sendo previsto o seu crescimento nos próximos anos.
Lu et al. [40] estudaram a cinética da combustão de biomassa original, torrada e do carvão.
Neste trabalho a madeira foi torrada a duas temperaturas finais diferentes e o seu potencial foi
avaliado com recurso à análise termogravimétrica. Foi também avaliada a cinética da
combustão com recurso a modelos de primeira ordem. Os resultados mostraram que a
biomassa torrada apresentava geralmente três fases reativas distintas. Todavia, a biomassa
torrada a maior temperatura apresentou quatro fases reativas diferentes. Por fim, os resultados
mostram que a energia de ativação da biomassa varia com a torrefação e que este
comportamento não é linear. Com efeito, verificou-se que à biomassa torrada, durante o
processo de desvolatilização, está associada uma energia de ativação superior, não se
13
verificando esse comportamento para a combustão do resíduo carbonoso. Este estudo vem
enfatizar as diferenças a nível estrutural da biomassa torrada que resultam na modificação das
energias de ativação durante não só a desvolatilização como a combustão do resíduo
carbonoso. É importante notar que a reatividade do resíduo carbonoso da biomassa torrada se
aproxima dos valores conhecidos para o carvão, sendo importante realizar este tipo de estudo
para outros tipos de biomassa, o que pode ser encontrado neste trabalho.
Chen et al [41] avaliaram o potencial da biomassa torrada para utilização em altos-fornos. Para
tal usaram cinco tipos distintos de biomassa que torraram a três temperaturas diferentes,
comparando com as propriedades do carvão. Para avaliar o potencial de cada uma das
amostras avaliaram a sua combustão com recurso a um RQL. Os autores concluíram que
quanto maior a temperatura de torrefação maior é o teor hidrofóbico da biomassa torrada. Por
outro lado, quanto maior a temperatura de torrefação maior é a proximidade com as
propriedades do carvão e, como tal, mais facilmente se poderá conjugar com o carvão em co-
combustão. Com este trabalho é possível afirmar que quanto maior o grau de torrefação mais
próximas se tornam as propriedades da biomassa do carvão. No entanto quanto maior o grau
de torrefação mais dispendioso se torna o processo, pelo que economicamente terá de ser feita
uma análise à aplicação industrial da torrefação.
Fisher et al. [42] avaliaram as características da combustão de biomassa original e torrada.
Com recurso à análise termogravimétrica foi avaliada a reatividade do salgueiro torrado a
várias temperaturas diferentes. Neste trabalho os autores concluíram que quanto maior o grau
de torrefação menor é a reatividade do combustível. Com esta análise, em linha com os
resultados de Chen et al [40] e os apresentados nesta tese, é demonstrado o potencial
significativamente superior da biomassa torrada na co-combustão com carvão.
Mais recentemente, Broströma et al [43] estudaram a cinética da desvolatilização, oxidação da
matéria volátil e combustão do resíduo carbonoso da madeira torrada. Para esta avaliação os
autores recorreram à análise termogravimétrica apara quantificar a os vários processos da
combustão, tanto em ambiente inerte como em ar. De notar que, para a desvolatilização os
autores obtiveram valores da ordem de 100 kJ/mol e para a combustão do resíduo carbonoso
valores da ordem de 200 kJ/mol. Estes valores obtidos por Broströma et al [43] são típicos para
a biomassa torrada e semelhantes aos obtidos, através de um RQL, no presente trabalho. Este
facto vem enfatizar e validar a utilização de um RQL para avaliação da cinética de combustão
da biomassa.
Muitos outros estudos foram efetuados para analisar a combustão de biomassa torrada, mas
todos eles são baseados na análise termogravimétrica, o que contrasta com o presente
trabalho que analisa o potencial da combustão de biomassa torrada com recurso a um RQL.
14
Fragmentação de partículas
A fragmentação de partículas tem despertado grande interesse em toda a comunidade
científica devido à emissão elevada de nano-partículas por parte da biomassa. Apesar dos
estudos nesta área serem escassos, os autores baseiam-se maioritariamente na análise de
partículas através do microscópio eletrónico por forma a, através da sua morfologia, concluir
quanto à fragmentação. Outros trabalhos enfocam apenas formas qualitativas, tentando
descrever a fragmentação de partículas, recorrendo à dimensão média de tamanhos. É
importante notar que, para a biomassa, os estudos para a fragmentação de partículas são
inconclusivos.
Xu et al. [35] avaliaram a fragmentação de partículas de carvão com recurso à dimensão média
das partículas. Os autores concluíram que a ocorrência da fragmentação está relacionada com
os últimos estágios da combustão do carvão. Apesar deste estudo ter sido realizado com
carvão, cujas partículas são consideradas aproximadamente esféricas e que a combustão
ocorre a diâmetro constante, apenas foi possível concluir que ocorreu fragmentação através da
redução do diâmetro médio das partículas. É de notar que, para a biomassa, a partícula tem
uma forma desordeira e há redução do seu tamanho durante a combustão, pelo que este
método aplicado à biomassa seria inconclusivo.
Seames [38] estudou, através de um RQL com janelas horizontais, a fragmentação de
partículas de carvão. Neste trabalho foram capturadas partículas em vários pontos do RQL e
foi avaliada a sua morfologia com recurso a um microscópio eletrónico. É possível concluir que,
para o carvão, nos últimos estágios da combustão, há o aparecimento de partículas com um
aspeto fraturado, indicando a ocorrência de fragmentação. Com este trabalho é demonstrada a
fragmentação de partículas no caso do carvão. No entanto para a biomassa, como a morfologia
das partículas é desordeira, este método, à semelhança do trabalho de Xu et al. [35], tornar-se-
ia inconclusiva.
No presente trabalho, com recurso ao cruzamento de resultados entre a classificação e
distribuição de tamanhos de partículas com os valores de burnout é possível avaliar a
fragmentação de partículas de biomassa. Por outro lado, ao contrário dos trabalhos de Xu et al.
[35] e Seames [38],este novo método torna possível a avaliação da fragmentação não só para
o carvão como para a biomassa.
15
1.7 Objetivos
O objectivo geral deste trabalho foi avaliar as características da combustão de biomassa
torrada (e não torrada) num RQL. Os tipos de biomassa estudados foram a casca de pinheiro e
o bagaço de azeitona, que foram torrados num torrador de biomassa desenvolvido neste
trabalho. Os objectivos específicos do trabalho incluíram (i) o estudo da influência da torrefação
nas propriedades da biomassa, (ii) a obtenção de energias de ativação e fatores pré-
exponenciais para as várias fases da combustão, recorrendo a modelos de cinética química de
primeira ordem, e (iii) a avaliação do processo de fragmentação das partículas com recurso à
captura de partículas em diferentes estágios da combustão.
16
17
2. Instalação experimental
Este capítulo descreve a instalação experimental utilizada no presente trabalho e os métodos
utilizados para a realização das medidas, incluindo as incertezas experimentais.
2.1 Descrição do torrador de biomassa
Na figura 5 encontra-se esquematizada a instalação utilizada para a torrefação da biomassa.
Como é possível observar, uma tomada de azoto com um caudal de 3 L/min foi ligada a um
pré-aquecedor elétrico de 200 W de potência. Este pré-aquecedor dispõe de um sistema de
controlo PID, sendo possível regular a temperatura de saída do gás até 425 °C. A biomassa
que se pretendia torrar era colocada no interior de um tubo de aço 316L de 400 mm de
comprimento e 20 mm de diâmetro. Para monitorizar a temperatura da biomassa foi colocado
um termopar móvel ao longo do tubo de aço, sendo possível monitorizar a temperatura a que a
biomassa estava sujeita em qualquer ponto do tubo. É de sublinhar que o tubo de aço foi
isolado com recurso a lã de vidro e folha de alumínio por forma a evitar perdas de calor pela
parede. A figura 6 mostra uma fotografia do sistema usado para torrar a biomassa.
Figura 5 – Esquema da instalação usada para a torrefação da biomassa.
Pré-aquecedor(200 W)
290 ºC
T
N2
3 L/min
18
Figura 6 – Fotografia da instalação usada para a torrefação de biomassa.
2.2 Descrição do reator de queda livre
A figura 7 mostra esquematicamente o RQL usado no presente trabalho e a figura 8 mostra
uma fotografia da instalação experimental. Globalmente, o sistema é constituído por uma
unidade de alimentação de biomassa, pelo RQL e por uma unidade de captura de partículas. A
unidade de alimentação é composta por dois caudalimetros, um depósito, um alimentador de
parafuso ligado a um motor de velocidade variável, um vibrador e por um injetor arrefecido a
água. Os caudalimetros foram usados para monitorizar o ar primário e o ar secundário e o
combustível foi armazenado no depósito superior. Através do alimentador de parafuso foi
possível controlar o caudal de biomassa injetado no RQL, tendo sido colocado um vibrador
junto ao ponto de alimentação por forma a evitar o bloqueamento dos canais de admissão de
combustível. O RQL, eletricamente aquecido com uma potência total de 5600 W, é composto
por um tubo de cerâmica de 1300 mm de comprimento e 38 mm de diâmetro interior. As
resistências elétricas são monitorizadas por oito controladores PID que acionam as resistências
consoante as temperaturas lidas pelos oito termopares distribuídos uniformemente ao longo do
RQL. No que diz respeito à unidade de captura de partículas, esta é formada por uma sonda
arrefecida a água, por um filtro de quartzo de 47 mm de diâmetro inserido num impactor
TECORA e por uma bomba de vácuo usada para criar uma depressão no reator e possibilitar a
recolha de partículas.
19
Figura 7 – Esquema do RQL.
T
T
T
T
T
T
T
T
BombaFiltro
Exaustão
ExaustãoAzoto
ø38ø22
3 furos deø 0,5mm
ø3
Água Água
Água
250
240
240
240
130
Ar Ar
Fluído de transporte (ar)
Combustívelsólido
Águ
a
Águ
aA
zoto
20
Figura 8 – Fotografia do RQL e do equipamento auxiliar.
21
2.3 Métodos e incertezas experimentais
2.3.1 Medição de temperaturas
A figura 9 representa a sonda usada para a medição da temperatura ao longo do eixo do RQL,
na qual foi instalado um termopar na sua extremidade. Este termopar, tipo R com 76 μm de
diâmetro, foi ligado a fios de platina e platina/13% ródio dispostos ao longo de todo o
comprimento da sonda. Para proteção dos fios, este foram colocados no interior de um tubo de
cerâmica de duplo furo. A leitura das temperaturas foi possível através de uma placa de
aquisição de dados ligada a um computador.
As incertezas experimentais máximas associadas à medição da temperatura com o termopar
foram estimadas em cerca de 14% da diferença entre a temperatura do termopar e a
temperatura da parede [44]. Foi estimado que a diferença máxima entre a temperatura do
termopar e a temperatura real do gás não excede 20 ºC. Esta estimativa foi feita com base na
seguinte equação:
<�=. >?� − ?@ABC + DE>?�F − ?GAHI�IF C = 0(3)
Nesta equação, a transmissão de calor por condução através dos fios do termopar foi
considerada desprezável, e portanto, a equação representa um balanço entre a convecção e a
radiação em regime estacionário.
Figura 9 – Sonda de termopar usada para medir a temperatura no interior do RQL.
2.3.2 Captura e cálculo do burnout da partícula
As partículas foram recolhidas ao longo do eixo da câmara de combustão com o auxílio de
uma sonda em aço inoxidável com 1,5 m de comprimento, arrefecida a água, conforme pode
ser observado na figura 7. O congelamento das reações químicas era assegurado através da
20mm 40mm 25mm 15mm10mm
10-1
5mm
5mm
25m
m
12m
m
22
injeção direta de jatos de azoto sobre a amostra (gases e partículas) através de pequenos
orifícios localizados na extremidade da sonda. O tubo central da sonda, através do qual a
amostra era aspirada com uma velocidade isocinética, possuía um diâmetro interior de 3 mm.
Após deixarem a sonda, as partículas eram recolhidas com o auxílio de um dispositivo da
Tecora equipado com um filtro de quartzo de 47 mm de diâmetro. Após a recolha, as amostras
eram secas numa estufa a aproximadamente 105 °C. A secagem foi repetida até assegurar
que a diferença mássica da amostra fosse nula. A quantidade de cinzas presente na amostra
foi avaliada recorrendo ao procedimento descrito na norma CEN/TS 14775, sendo o burnout da
partícula calculado através da seguinte equação:
J(%) = 1 − LMLN1 − LM × 100(4)
As principais fontes de incerteza associadas ao cálculo do burnout da partícula recorrendo à
utilização das cinzas como traçador (referência), estão relacionadas com a volatilidade das
cinzas quando sujeitas a elevadas taxas de aquecimento e, também, à sua solubilidade em
água. No presente estudo, os cálculos efetuados revelaram incertezas desprezáveis [43]. É
ainda de sublinhar que estes testes foram repetidos várias vezes de forma a confirmar os
resultados obtidos.
2.3.3 Concentração e distribuição de tamanhos de pa rtículas
As concentrações e distribuição das dimensões das partículas resultantes do processo de
combustão foram obtidas com o auxílio de um impactor de três estágios em cascata de baixa
pressão (Tecora). As partículas foram recolhidas no eixo da câmara de combustão com o
auxílio da sonda de partículas descrita anteriormente. A amostragem das partículas foi
realizada em condições isocinéticas. De modo a evitar condensação de água no impactor, este
foi envolvido por uma manta aquecida (modelo Winkler WOTX1187). As partículas foram
recolhidas com o auxílio de filtros de quartzo de 47 mm de diâmetro, os quais eram foram
secos numa estufa antes de cada teste. Depois de cada teste os filtros eram novamente secos
na estufa, de modo a eliminar qualquer humidade residual, e pesados de modo a determinar a
sua massa. O impactor de três estágios permite classificar as partículas em três classes de
diâmetros, a saber: diâmetros superiores a 10 µm (PM10), diâmetros entre 2,5 µm e 10 µm, e
diâmetros inferiores a 2,5 µm (PM2,5).
23
Parâmetro Casca de pinheiro Bagaço de azeitona
Carvão Original Torrado Original Torrado
Análise imediata (wt%, as received)
Matéria volátil
Carbono fixo
Humidade
Cinzas
58,9
25,9
13,9
1,3
69,4
27,6
1,0
2,0
57,8
19,7
9,4
13,1
60,6
23,1
0,3
16,0
44,6
51,4
1,7
2,3
Análise elementar (wt%, daf)
Carbono
Hidrogénio
Azoto
Enxofre
Oxigénio
47,8
5,6
0,3
0,0
46,3
54,4
5,5
0,4
0,0
39,7
43,2
5,6
1,9
0,0
49,3
47,8
5,1
2,3
0,0
44,8
79,3
5,9
1,9
0,5
12,4
Poder calorífico superior (MJ/kg) 18,82 23,52 17,54 20,67 35,04
Análise das cinzas (% wt, base seca)
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
SO3
MgO
TiO2
P2O5
K2O
Na2O
Cl
Outros Óxidos
9,6
11,9
2,1
50,9
2,0
12,1
0,0
5,6
4,1
0,8
-
0,9
30,4
10,6
9,9
9,9
0,7
7,2
0,9
7,4
18,7
2,9
-
1,4
39,4
23,2
24,7
3,5
1,5
1,0
1,7
0,2
1,2
2,6
-
1,0
Distribuição de tamanhos (µm)
< 30
< 70
< 100
< 300
< 500
< 1000
< 2000
SMD
13,6
28,5
34,7
53,1
67,0
95,1
100,0
177,8
9,9
17,5
21,3
37,1
49,8
94,1
100,0
97,0
38,4
61,4
69,9
94,2
100,0
100,0
100,0
19,7
Tabela 2 – Propriedades da biomassa original, torrada, e do carvão.
24
25
3. Resultados e discussão
3.1 Condições dos testes
As biomassas estudadas neste trabalho foram a casca de pinheiro e o bagaço de azeitona.
Ambas as biomassas originais foram inicialmente pulverizadas de modo a obter partículas até 1
mm de diâmetro. A distribuição das dimensões das partículas, tanto para a biomassa original
como para a biomassa torrada, foi determinada com o auxílio do Malvern Particle Sizer 2600.
Adicionalmente, e de modo a corroborar os resultados obtidos pela técnica de difração laser,
não foram observadas diferenças na forma das partículas através da análise do microscópio
eletrónico. Posteriormente, as biomassas foram torradas no dispositivo descrito anteriormente.
Após a colocação da biomassa no interior do tubo de aço, o dispositivo era alimentado com 3
L/min de azoto a 310 °C durante 1 hora. Durante est e processo a temperatura da biomassa
variava tipicamente entre 280 °C e 300 °C. Esta ape rtada monitorização foi conseguida através
do termopar móvel que atravessava todo o comprimento do tubo. A tabela 2 mostra as
propriedades das biomassas originais e torradas. Para efeitos de comparação, a tabela inclui
também as propriedades de um carvão betuminoso do Reino Unido. A análise imediata,
elementar e o poder calorífico foram determinados recorrendo aos procedimentos descritos nas
normas ASTM-D-3172, ASTM-D-3174, ASTM-D-3176 e ASTM-D-5865. A composição química
das cinzas foi determinada por espectroscopia de florescência de raio-X.
Foram realizados ensaios para as biomassas originais e torradas, para cinco temperaturas do
RQL (900, 950, 1000, 1050, 1100 °C) em que foram re colhidas partículas às distâncias de 200,
300, 500, 700, 900 e 1100 mm do ponto de injeção. Em cada ensaio, o caudal mássico de
biomassa era de 23 g/h e o caudal volúmico de ar de aproximadamente 4 L/min, de modo a
que o coeficiente de excesso de ar no RQL fosse de 2,5. O ar era alimentado ao RQL à
temperatura ambiente proveniente de um compressor. A velocidade inicial das partículas no
RQL foi estimada em cerca de 0,3 m/s. Para a avaliação da concentração e distribuição de
tamanhos de partículas optou-se por capturar as partículas a 500 e 1100 mm do ponto de
injeção, isto é, a meio e á saída do RQL.
3.2 Biomassa original vs biomassa torrada
Como se pode observar na tabela 2, a torrefação reduz significativamente a quantidade de
humidade presente na biomassa, nomeadamente de 13,9% para 1% no caso da casca de
pinheiro e de 9,4% para 0,3% no caso do bagaço de azeitona. A tabela 2 indica também que o
poder calorifico superior aumenta substancialmente com a torrefação; especificamente, de
26
18,82 MJ/kg para 23,52 MJ/kg no caso da casca de pinheiro e de 17,54 MJ/kg para 20,67
MJ/kg no caso do bagaço de azeitona. Este facto vem corroborar o potencial da torrefação no
aumento da densificação energética da biomassa, ultrapassando assim uma das suas grandes
desvantagens.
A figura 10 apresenta o diagrama de van Krevelen para as biomassas estudadas e para o
carvão betuminoso, incluído para permitir comparações. É evidente que as razões atómicas
H/C se correlacionam fortemente com as razões O/C (com um coeficiente de correlação de R2
= 0,9476). Assim, a torrefação diminuiu o conteúdo de hidrogénio e oxigénio da biomassa
inicial, aproximando-os dos valores observados para o carvão. Este facto torna a co-combustão
de biomassa torrada com carvão mais interessante já que é possível uma aproximação química
entre os dois combustíveis.
Figura 10 – Diagrama de van Krevelen.
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20
H/C
O/C
CarvãoCasca de pinheiroCasca de pinheiro torradoBagaço de azeitonaBagaço de azeitona torrado
27
3.3 Perfis de temperatura e burnout da partícula
A figura 11 apresenta os perfis de temperatura obtidos ao longo do eixo do RQL para as
biomassas e temperaturas do RQL estudadas. É possível observar que a temperatura mais
alta, observada para a biomassa original, se localiza junto do injetor e que esta temperatura é
ligeiramente superior à da biomassa torrada devido à desvolatilização mais intensa e burnout
mais elevado da biomassa original. No entanto, à medida que a distância ao injetor (x)
aumenta, as diferenças de temperatura tornam-se cada vez menores.
Figura 11 - Perfis de temperatura ao longo do eixo do RQL. a) Casca de pinheiro, b) casca de pinheiro
torrada, c) bagaço de azeitona, d) bagaço de azeitona torrado.
A figura 12 mostra os perfis do burnout da partícula ao longo do eixo do RQL para todas as
biomassas e temperaturas do RQL estudadas. É de notar que, devido à elevada matéria volátil
presente na biomassa (~65%), grande parte dos resultados apresentados referem-se ao
processo de desvolatilização. De acordo com as temperaturas medidas (figura 11), a figura 12
mostra que os valores do burnout da partícula junto ao injetor são superiores no caso da
biomassa original, com a diferença diminuindo à medida que x aumenta.
A figura 12 revela ainda que a casca de pinheiro apresenta valores de burnout da partícula
superiores, independentemente da temperatura do RQL. Para x = 200 mm a casca de pinheiro
original apresenta valores de burnout da partícula entre ~63% a 900 °C e ~79 % a 1100 °C, e
para x = 1100 mm entre ~95% a 900 °C e ~99% a 1100 °C. Os valores correspondentes para a
0 200 400 600 800 1000 1200 0 200 400 600 800 1000 1200
0 200 400 600 800 1000 12000 200 400 600 800 1000 1200
0
200
400
600
800
1000
1200
Tem
per
atu
ra(º
C)
0
200
400
600
800
1000
1200
Tem
per
atu
ra(º
C)
0
200
400
600
800
1000
1200
0
200
400
600
800
1000
1200
Distância axial (mm) Distância axial (mm)
b)
c)
a)
d)
TW = 1100 °CTW = 1050 °C
TW = 1000 °C
TW = 950 °CTW = 900 °C
28
casca de pinheiro torrada são de ~37% e ~69% quando x = 200 mm, e ~85% e ~99% quando x
= 1100 mm. Estes resultados indicam que, apesar dos valores inferiores da casca de pinheiro
torrada, esta não necessita de tempos de residência superiores para atingir burnouts
semelhantes aos da casca de pinheiro original, exceto para o caso dos 900 ºC em que não se
verificou essa tendência.
Tanto o bagaço de azeitona torrado como o original apresentam burnouts significativamente
inferiores aos da casca de pinheiro torrada e original, respetivamente. A figura 12 indica que
em x = 200 mm o burnout do bagaço de azeitona original varia entre ~5% a 900 °C e ~27% a
1100 °C, e em x = 1100 mm entre ~69% a 900 °C e ~94% a 1100 °C. Os valores
correspondentes para o bagaço de azeitona torrado são de ~1% e ~15% em x = 200 mm, e
~63% e ~86% em x = 1100 mm. Neste caso o bagaço de azeitona torrado requer maiores
tempos de residência para atingir burnouts comparáveis aos do bagaço de azeitona original.
Figura 12 - Perfis de burnout da partícula ao longo do RQL. a) Casca de pinheiro, b) casca de pinheiro
torrada, c) bagaço de azeitona, d) bagaço de azeitona torrado.
0 200 400 600 800 1000 1200
Distância axial (mm) Distância axial (mm)0 200 400 600 800 1000 1200
0102030405060708090
100
0
1020
3040
50
6070
8090
100
(%)
0
1020
30
40
5060
70
80
90100
010
20304050
607080
90100
0 200 400 600 800 1000 1200 0 200 400 600 800 1000 1200
(%)
TW = 1100 °CTW = 1050 °CTW = 1000 °CTW = 950 °CTW = 900 °C
a) b)
c) d)
29
3.4 Parâmetros cinéticos
Para avaliação dos parâmetros cinéticos foram usados os modelos de primeira ordem descritos
seguidamente. Para a desvolatilização foi usado o modelo presente em [44]:
.".2 = PQ(1 − J)(5)
onde
PQ = RQSTUVW(6)
Analogamente, para a combustão do resíduo carbonoso [44]:
.+.2 = −RPX��� (7)
onde
PX = RXSTYVW(8)
No presente trabalho foi adotado o modelo de desvolatilização presente nas equações (5) e (6)
que pode ser reescrito da forma:
ln \ .".21 − J] = − ^Q:? + ln(RQ)(9)
analogamente para a combustão do resíduo carbonoso e reescrevendo as equações (7) e (8)
obteve-se:
ln \ .+.2−R�_�] = − X̂:? + ln(RX)(10)
A figura 13 mostra as regressões lineares usadas para derivar os parâmetros cinéticos ao
longo do RQL. Os vários pontos apresentados na figura 13 foram calculados com recurso às
equações (9) e (10) aplicadas a duas posições-x consecutivas no RQL. A tabela 3 lista as
energias de ativação e os fatores pré-exponenciais para quatro seções do reator, ou seja, para
300 < x < 500 mm, 500 < x < 700 mm, 700 < x < 900 mm, and 900 < x < 1100 mm. No que diz
respeito à casca de pinheiro original, as energias de ativação apresentadas sugerem a
30
existência de três processos distintos: uma primeira fase de desvolatilização na região 300 < x
< 500 mm, uma segunda fase de desvolatilização na região 500 < x < 900 mm, e uma terceira
e última fase de combustão do resíduo carbonoso na região 900 < x < 1100 mm (cf. figura 12).
A casca de pinheiro torrada apresenta, todavia, apenas duas fases, uma primeira fase de
desvolatilização na região 300 < x < 700 mm e uma região de combustão do resíduo carbonoso
na região compreendida entre 700 < x < 1100 mm. Este facto pode ser atribuído à perda de
voláteis durante o processo de torrefação, que reduz a extensão do processo de
desvolatilização, aumentando a duração da combustão do resíduo carbonoso. Os resultados
obtidos para a energia de ativação do bagaço de azeitona, original e torrado, indicam um
comportamento semelhante com três fases distintas para ambos os casos: uma primeira fase
na região 300 < x < 700 mm, uma segunda fase de desvolatilização e combustão do resíduo
carbonoso na região 700 < x < 900 mm, e uma terceira fase de combustão do resíduo
carbonoso na região 900 < x < 1100 mm (cf. figura 12).
Os resultados cinéticos obtidos mostram que, para ambos as biomassas, original e torrada, a
torrefação reduz a energia de ativação para a combustão do resíduo carbonoso. Di Blasi [32]
fez uma compilação dos parâmetros cinéticos para a combustão de vários resíduos carbonosos
de biomassa e encontrou valores, para a energia de ativação, entre 144 kJ/mol e 230 kJ/mol,
na linha dos obtidos no presente trabalho. As incertezas relacionadas com a obtenção da
energia de ativação estão relacionadas com as incertezas na medição da temperatura e do
burnout. No presente estudo conduziu a uma incerteza máxima inferior a 2% nos valores
apresentados para a energia de ativação.
31
Figura 13 - Regressão linear para avaliação dos parâmetros cinéticos dos combustíveis. a) 300 < x < 500
mm, b) 500 < x < 700 mm, c) 700 < x < 900 mm, d) 900 < x < 1100 mm.
030
011
0090
070
050
013
00 x
-21,0
-20,5
-20,0
-19,5
-19,0
-18,5
-18,0
-17,5
-17,0
-16,5
-16,0
-21,0
-20,5
-20,0
-19,5
-19,0
-18,5
-18,0
-17,5
-17,0
-16,5
-16,0-21,0
-20,5
-20,0
-19,5
-19,0
-18,5
-18,0
-17,5
-17,0
-16,5
-16,0
-21,0
-20,5
-20,0
-19,5
-19,0
-18,5
-18,0
-17,5
-17,0
-16,5
-16,0
-21,0
-20,5
-20,0
-19,5
-19,0
-18,5
-18,0
-17,5
-17,0
-16,5
-16,0
-21,0
-20,5
-20,0
-19,5
-19,0
-18,5
-18,0
-17,5
-17,0
-16,5
-16,0
-21,0
-20,5
-20,0
-19,5
-19,0
-18,5
-18,0
-17,5
-17,0
-16,5
-16,0
-21,0
-20,5
-20,0
-19,5
-19,0
-18,5
-18,0
-17,5
-17,0
-16,5
-16,0
0,0007 0,00075 0,0008 0,00085 0,0009 0,0007 0,00075 0,0008 0,00085 0,0009
1/T (1/K) 1/T (1/K)
ln[(
dm
/dt)
/(-A
PO
2)]ln
[(d
v/d
t)/(
1-ψ
)]ln
[(d
v/d
t)/(
1-ψ
)]ln
([(d
v/d
t)/(
1-ψ
)]
Casca de pinheiroCasca de pinheiro torrado
Bagaço de azeitonaBagaço de azeitona torrado
y = -27723x + 3,3R² = 0,9361
y = -30952x + 5,8R² = 0,9474R² = 0,9171
R² = 0,9289
R² = 0,9718
R² = 0,9551
R² = 0,9512
R² = 0,9238
R² = 0,9864
R² = 0,9849
R² = 0,9789
R² = 0,9381
R² = 0,9865
R² = 0,9911
R² = 0,9789
R² = 0,9826
y = -10796x - 10,2
y = -15620x - 6,9
y = -10384x - 9,4
y = -5990x - 13,3
y = -10364x - 9,4
y = -15125x - 5,5
y = -2612x - 15,4
y = -7024x - 11,5
y = -8710x - 10,2
y = -6089x - 12,9
y = -8695x - 10
y = -2597x - 15,7
y = -2559x - 15,2
y = -6963x - 11,3
32
Seção do RQL
Casca de pinheiro Bagaço de azeitona
Original Torrado Original Torrado
Ev/c
(kJ/mol)
Av/c
(1/s) R2
Ev/c
(kJ/mol)
Av/c
(1/s) R2
Ev/c
(kJ/mol)
Av/c
(1/s)
R2
Ev/c
(kJ/mol)
Av/c
(1/s)
R2
300 < x < 500
mm 21.6 ± 0.3 0.3 0.9865 21.3 ± 0.3 0.4 0.9911 57.9 ± 0.8 19.1 0.9789 72.3 ± 1.0 76.6 0.9826
500 < x < 700
mm 50.6 ± 0.7 4.1 0.9864 21.7 ± 0.3 0.3 0.9849 58.4 ± 0.8 16.9 0.9789 72.4 ± 1.0 58.9 0.9381
700 < x < 900
mm 49.8 ± 0.7 2.8 0.9718 86.3 ± 1.2 129.7 0.9551 125.8 ± 1.8 6.9E+03 0.9512 86.2 ± 1.2 134.4 0.9238
900 < x < 1100
mm 129.9 ± 1.9 1670.4 0.9171 89.8 ± 1.3 54.9 0.9289 254.8 ± 3.7 5.5E+08 0.9474 230.5 ± 3.3 4.2E+07 0.9361
Tabela 3 – Parâmetros cinéticos das biomassas estudadas.
33
3.5 Fragmentação de partículas
A figura 14 mostra a concentração de partículas em x = 500 mm e x = 1100 mm, para a
temperatura do RQL de 1100 °C, e para as quatro bio massas estudadas. No caso da casca de
pinheiro original (figura 14a) o burnout da partícula aumentou de 89,4% para 98,7% entre x =
500 e 1100 mm, enquanto a concentração de partículas inferiores a 10 µm (PM2,5 e PM2,5-
PM10) aumentou de 15% para 39%; no caso da casca de pinheiro torrada (figura 14b) o
burnout aumentou de 85,8% para 99,4% entre x = 500 e 1100 mm, enquanto a concentração
de partículas inferiores a 10 µm aumentou de 16% para 42,5%. Este facto sugere a existência
de fragmentação de partículas entre x = 500 e 1100 mm para ambas as biomassas (original e
torrado), mas que não foi a torrefação que promoveu a fragmentação das partículas.
No caso do bagaço de azeitona original (figura 14c) o burnout da partícula aumentou de 61,8%
para 93,9% entre x = 500 e 1100 mm, enquanto a concentração de partículas inferiores a 10
µm diminuiu de 10,5% para 7,1%; no caso do bagaço de azeitona torrado (figura 14d) o
burnout da partícula aumentou de 55,9% para 86,1% entre x = 500 e 1100 mm, enquanto a
concentração de partículas inferiores a 10 µm diminuiu de 12,5% para 10,3%. Deste modo é
possível concluir, de novo, que a torrefação não promoveu a fragmentação das partículas,
sendo que, neste caso, a fragmentação das partículas entre x = 500 e 1100 mm para ambos as
biomassas não parece ocorrer.
Figura 14 - Concentração de partículas em x = 500 mm e x = 1100 mm para a temperatura do RQL de
1100 °C a) Casca de pinheiro, b) casca de pinheiro torrada, c) bagaço de azeitona, d) bagaço de azeitona
torrado.
0100200300400500600700800900
1000
0100200300400500600700800900
1000
0100200300400500600700800900
1000
0100200300400500600700800900
1000
500 mm 1100 mm
500 mm 1100 mm 500 mm 1100 mm
500 mm 1100 mm
PM
(m
g/N
m3 )
PM
(m
g/N
m3 )
c)
a) b)
d)
PM2.5
PM2.5-PM10
PM10
34
35
4. Fecho
4.1 Conclusões
As principais conclusões deste trabalho são as seguintes:
• O poder calorífico superior da biomassa torrada é superior ao da biomassa original,
aumentando em cerca de 25% para a casca de pinheiro e em cerca de 18% para o
bagaço de azeitona;
• A análise à biomassa após a torrefação mostra que esta se aproxima do carvão devido
à diminuição das razões O/C e H/C relativamente à biomassa original;
• A casca de pinheiro, tanto original como torrada, apresenta valores de burnout
superiores aos do bagaço de azeitona, em cada ponto do RQL;
• Contrariamente ao observado para o bagaço de azeitona torrado, a casca de pinheiro
torrada necessita de tempos de residência no RQL semelhantes para atingir taxas de
combustão próximas da casca de pinheiro não torrada;
• Os parâmetros cinéticos para ambas as biomassas, original e torrada, mostram que a
torrefação reduz a energia de ativação do resíduo carbonoso;
• A fragmentação de partículas, no que diz respeito à biomassa não tratada, é mais
evidente na casca de pinheiro que no bagaço de azeitona.
• A torrefação não aumenta a fragmentação de partículas, mesmo para biomassas que
apresentem elevada tendência para esse fenómeno.
4.2 Trabalhos futuros
Como trabalhos futuros propõem-se os seguintes:
• Alargamento do presente estudo, em todos os seus aspectos, a outros tipos de
biomassa, nomeadamente casca de arroz, cortiça e palha.
• Desenvolver um torrador piloto com capacidade para torrar cerca de 10 kg/h de
biomassa.
36
• Caracterizar o processo de combustão de biomassa torrada (e não torrada) na fornalha
piloto existente no laboratório do presente grupo de investigação.
• Caracterizar o processo de co-combustão de carvão com biomassa torrada (e não
torrada) na fornalha piloto existente no laboratório do presente grupo de investigação.
37
5. Referências
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