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Conceitos - Tecnologias: Biomassa sólida

Tecnologias: Biomassa sólida


Na biomassa sólida são utilizadas diferentes tipos de tecnologias associadas às várias etapas do processo de aproveitamento da mesma e condicionadas por vários factores como a densidade e estado da rede viária, tipo de povoamento, espécie, características físicas do terreno, características dos centros de consumo, eficiência, impacte ambiental que possam causar, etc.:

Tecnologias na recolha e transporte

Na recolha e transporte da biomassa são utilizadas diversas tecnologias mecanizadas dependendo da idade das árvores (2,5 ou 10 anos) ou do tamanho dos resíduos.

Recolha em Natureza: O método consiste em recolher e efectuar o transporte da biomassa sem que esta passe por processo de compactação, nem de estilhaçamento. Hoje em dia começa a ser um método ultrapassado, uma vez que, devido à baixa densidade no transporte, os custos são bastante elevados.

Processamento em estilha no local: consiste em transformar a biomassa em estilhas no espaço florestal utilizando estilhaçadores móveis de pequenas dimensões. Posteriormente a biomassa é transportada para as unidades finais, ou unidades intermédias, em forma de estilha. Estes procedimentos permitem a secagem natural melhorando as propriedades da biomassa florestal, o que traz grandes vantagens em relação ao transporte em natureza.

Parques de pré-tratamento: nestes parques a biomassa chega em natureza e sofre uma transformação que vai de acordo com a necessidade das características do material. As principais operações que se podem levar a cabo nos parques de pré-tratamento são: armazenamento da matéria-prima, trituração e secagem natural ou forçada.

Enfardamento da biomassa: este método tem como princípio, a compactação dos materiais enfardados. As enfardadeiras são sistemas de recolha de restos florestais que têm por princípio a compactação dos materiais. Desta forma, é possível optimizar o armazenamento e o transporte e permitir recolha dos restos de ramos e bicadas deixados no solo após a operação de corte das árvores.

Aproveitamento da árvore inteira: neste processo, ao contrário do que se verifica nos casos anteriores, a biomassa utilizada corresponde ao fuste inteiro. As árvores processadas neste sistema têm baixo valor económico, sendo fruto de desbastes, povoamentos de baixa rentabilidade, culturas energéticos, árvores de áreas de cortes antecipados ou danificados por incêndios, vendavais ou pragas e doenças. As árvores são aproveitadas para a obtenção de estilha.

Sistema Feller-buncher:
o método “full-tree” – fuste inteiro, consiste basicamente
no corte e um primeiro ajuntamento de árvores inteiras, com cortador empilhador florestal “whelled feller-buncher”, seguido de rechega para pilha com ajuntador “skidder”, estilhaçamento das árvores com estilhaçador de facas e transporte à fabrica com camiões contentores «tipo banheira». Com este sistema pretende-se executar o mínimo de operações possíveis na exploração, de modo a rentabilizar todo o processo de colheita e transporte da biomassa à fábrica. Devido ao seu alto rendimento, este sistema é utilizado para o aproveitamento da biomassa nas culturas energéticas lenhosas.


Tecnologias no armazenamento


O seu armazenamento pode ser feito em pilhas curtas, pilhas longas, paletes, postes, montes de estilhas ou serrilha. A tecnologia de estilhagem da madeira proporciona redução de custos tanto na recolha como no transporte.

Os sistemas de armazenamento modernos indicam à caldeira, através de um interruptor de fim de curso, quando necessitam de calor. Isto permite que os intervalos de combustão da caldeira sejam coordenados e que o número de sequências de inflamações na caldeira seja reduzido.

O sistema de armazenamento permite que sistemas de aquecimento a madeira sejam, por um lado, flexíveis e reajam rapidamente a requisitos de calor e, por outro lado, prolonguem os intervalos de combustão. Isto ajuda a reduzir o desgaste da caldeira e a minimizar o número de combustões parciais.

Tecnologias na conversão

As tecnologias de aproveitamento do potencial da biomassa solida passam essencialmente pela queima em centrais térmicas com tecnologias como: de grelha fixa, móvel ou inclinada e de leito fluidizado (Liquefacção), ou centrais de cogeração para a produção de energia eléctrica e de água quente, ou ainda a queima directa (Combustão) em lareiras (lenha) para a produção directa de calor.

Combustão: o processo de combustão é o principal processo de conversão das fontes de biomassa sólida para extracção da energia contida na mesma. Em condições ambientais normais a biomassa não é auto-inflamável, pelo que a extracção de energia passa por um processo de conversão termoquímica complexo:

1. Aquecimento (<100ºC): quando os sistemas de combustão são alimentados, os combustíveis sólidos estão geralmente à temperatura ambiente. Antes que as reacções possam começar, o combustível sólido necessita ser aquecido.
2. Secagem (entre 100º C e 150º C): Acima dos 100ºC inicia-se a vaporização da água existente no combustível. Esta liberta-se do combustível, na forma de vapor de água.
3. Decomposição pirolítica (entre 150ºC e 230ºC): Neste processo, os componentes de cadeia longa dos combustíveis sólidos são quebrados em compostos de cadeia curta. Os produtos que surgem são gases e compostos líquidos de alcatrão, tais como o monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos gasosos (CmHn). A decomposição pirolítica da madeira não necessita de oxigénio.

Os processos anteriores são endotérmicos (absorção de calor). Uma vez atingido o ponto de inflamação (cerca de 230ºC) iniciam-se as reacções exotérmicas (libertação de calor) com a entrada de oxigénio. A superfície exterior da madeira pode ser inflamada a cerca de 300ºC e, a partir dos 400ºC, ocorre combustão espontânea.

4. Gaseificação do combustível sem água (entre 230ºC e 500ºC): A decomposição térmica do combustível sem água, sob a influência do oxigénio, inicia-se a um ponto de inflamação de cerca de 230ºC. A gaseificação tem lugar na chama de um fogo de combustível sólido
5. Gaseificação do carbono sólido (entre 500ºC a 700ºC): Nesta fase, sob a influência do dióxido de carbono (CO2), vapor de água existente e oxigénio (O2), produz-se monóxido de carbono combustível. A gaseificação do carbono sólido é exotérmica e liberta luz e calor, que tomam a forma de uma chama visível.
6. Oxidação dos gases combustíveis (entre 700ºC a cerca de 1.400ºC): a oxidação de todos os gases combustíveis, resultantes das etapas do processo precedente, representa o fim da reacção de combustão para os combustíveis sólidos. Sob a influência do ar secundário, efectua-se a combustão completa e limpa da mistura de gases.

A superfície de reacção disponível tem um papel importante na velocidade dos processos. Ao reduzir o tamanho dos combustíveis aumenta-se a superfície específica para que as reacções tenham lugar existindo a possbilidade de uma conversão mais rápida do combustível.

A divisão e redução do tamanho da lenha cria condições ideais para que decorra uma combustão de baixas emissões, na qual, as fases de arranque e queima do combustível são minimizadas. Isto torna mais fácil a saída de calor dos sistemas de combustão, e podem ser projectados sistemas de armazenamento de calor mais precisos.

À medida que a combustão prossegue, através das várias etapas do processo, são libertados poluentes dos biocombustíveis sólidos. Contudo, um bom controlo de processo pode eliminá-los, antes de escaparem para o ambiente. Os poluentes devidos à combustão de fontes de biomassa sólida podem ser divididos em duas classes:

a. Poluentes resultantes de combustão incompleta: monóxido de carbono (CO), carbono (C), hidrocarbonetos e compostos de alcatrão (CmHn) e partículas não queimadas.
b. Poluentes resultantes de combustão completa: óxidos de azoto (NOx) e monóxido de carbono residual (CO).

Os sistemas de combustão modernos, com uma via separadora do ar primário e secundário, e uma zona de combustão suficientemente grande, criam as condições certas para a existência baixas emissões de combustão.

Cogeração: o processo de cogeração é a geração simultânea de energia térmica e mecânica, a partir de uma mesma fonte primária de energia. As formas de energia útil mais frequentes são a energia mecânica (movimentar máquinas, equipamentos e turbinas de geração de energia eléctrica) e a térmica (geração de vapor, frio ou calor). A energia mecânica pode ser utilizada na forma de trabalho, ou mais convencionalmente em energia eléctrica através de geradores de electricidades. A energia térmica é utilizada como fonte de calor para processos em geral.

Sistema de cogeração - Fonte: NREL


Co-combustão
: a co-combustão da biomassa encontra-se habitualmente associada à combustão de biomassa e carvão para a produção de energia. Comparativamente à queima isolada de carvão ou biomassa, a co-combustão apresenta vantagens, entre as quais se destacam a redução do total de emissões por unidade de energia produzida, permitir diminuir os níveis de emissão de poluentes associados à composição típica destes combustíveis como os óxidos de enxofre, os metais pesados ou as dioxinas e furanos, a minimização de desperdícios e, dependendo da composição química da biomassa utilizada, a redução dos níveis de poluição do solo e água.

Carbonização (Pirólise): processo de conversão termoquímica da biomassa a temperaturas médias (na ordem dos 300ºC), onde a biomassa sólida é queimada com baixo teor de ar, impedindo a combustão total.

O resíduo sólido resultante é o carvão vegetal, o qual tem uma densidade energética superior à biomassa original (duas vezes maior que aquela do material de origem).

Neste processo a biomassa sólida que é composta, basicamente, por carbono, oxigénio e hidrogénio, após reacções químicas complexas transforma-se em três compostos de estrutura relativamente complexa: celulose, hemicelulose e lignina.

Na sua maioria o carvão vegetal é composto por lignina uma vez que os outros componentes praticamente se degradam durante o processo de carbonização.


Densificação: processo de compactação da biomassa que consiste na aplicação de pressão a uma massa de partículas com ou sem a adição de ligantes ou tratamento térmico. A matéria-prima pode ser serradura, resíduos florestais ou partículas de carvão vegetal.

A partir deste processo de conversão podem ser obtidos produtos como pelets, briquetes ou cilindros de biomassa.


Gaseificação: trata-se do processo de conversão da biomassa sólida num gás (producer gas ou gás pobre), por meio de reacções termoquímicas, em quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo teórico para a combustão).

Na realidade este processo é composto por três etapas básicas:

1. Secagem: a secagem ou remoção da humidade pode ser feita quando a madeira é introduzida no gaseificador, aproveitando-se a temperatura ali existente, contudo a operação com madeira seca é mais eficiente.
2. Pirólise ou carbonização: durante a etapa de pirólise formam-se gases, vapor de água, vapor de alcatrão e carvão
3. Gaseificação: é liberada a energia necessária ao processo, pela combustão parcial dos produtos da pirólise.


O gás resultante é uma mistura de monóxido de carbono, hidrogénio, metano, dióxido de carbono e nitrogénio, cujas proporções variam dependendo das condições do processo, do tipo de gaseificador, se é utilizado ar ou oxigénio na oxidação, do teor de humidade e do tipo de biomassa utilizada.

Algumas variações do processo produzem uma mistura gasosa especial, conhecida como gás de síntese ou syngas, rica em hidrogénio e monóxido de carbono, que pode ser usado na síntese de qualquer hidrocarboneto.


Liquidificação: processo de conversão da biomassa sólida em produtos maioritariamente líquidos. Esta pode ser:

Directa: a reacção dá-se numa atmosfera redutora de hidrogénio ou mistura de hidrogénio e monóxido de carbono, sendo, portanto, uma forma de pirólise. Usam-se altas pressões, 100 a 200 Atm e temperaturas de 400 a 600ºC. A biomassa é triturada em uma faixa granulométrica escolhida e misturada com algum solvente, formando uma suspensão com 10% a 30% de sólidos. O líquido mais comum é a água, entretanto, podem-se empregar meios orgânicos
Indirecta: produção de gás de síntese, CO + H2, por gaseificação e, com catalisador, transformá-lo em metanol ou hidrocarboneto.

Fontes e referências:

"Bioenergia - manual sobre tecnologias, projecto e instalação", Altener, 2004
"Enersilva - Promoção do uso da biomassa florestal para fins energéticos no sudoeste da Europa (2004-2007)", Projecto Enersilva, 2007."Manuales sobre energía renovable: Biomasa" -1 ed. -San José, C.R. :Biomass Users Network (BUN-CA), 2002.




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Última actualização 2/2/2017