PFRH 37 COPPE/RJ Geração de Energia a Partir de Biomassa Vegetal

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1 UFPA Universidade Federal do Pará Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Faculdade de Engenharia Mecânica Grupo de Energia, Biomassa e Meio Ambiente EBMA Energia Biomassa e Meio Ambiente PFRH 37 COPPE/RJ Geração de Energia a Partir de Biomassa Vegetal Outubro 2012 Manoel Fernandes Martins Nogueira mfmn@ufpa.br

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA GRUPO ENERGIA, BIOMASSA E MEIO AMBIENTE

3 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente TECNOLOGIAS Caracterização Combustão Gasificação

4 EBMA

5 EBMA Secagem Biomassa úmida Biomassa seca H 2 O H 2 O Pirólise Biomassa Gás de pirólise carvão Alcatrão CH 4 CALOR Combustão C+O 2 CO 2 4H+O 2 2H 2 O C n H m +(n/2+m/4)o 2 nco2 + m/2h 2 O CO 2 H 2 O GÁS PRODUZIDO REDUÇÃO C+CO 2 2CO C+H 2 O CO+H 2 C n H m +nh 2 O nco+(m/2+n)h 2 C n H m +nco 2 2nCO+m/2H 2 CO H 2

6 EBMA Pulverização Vaporização Difusão Ignição Combustão (cinética química) Processo dominante (o mais lento) Vaporização Todos os processos são direto dependentes da temperatura

7 UFPA - Universidade Federal do Pará Mole % EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente EFEITO DA RAZÃO OXIGÊNIO-CARVÃO NA COMPOSIÇÃO DAS EMISSÕES 100% CH 4 H 2 S SO 2 Gasification Zone Complete Combustion 90% 80% 70% H 2 H 2 O O 2 60% 50% C 40% CO 2 30% 20% CO 10% 0% From M. Ramezan (2004) O 2 /MAF Coal Feed

8 EBMA Análise Imediata: % mássica em base seca ou úmida, c/ ou s/ cinza Umidade, voláteis, carbono fixo, cinzas Análise elementar: % mássica C, H, N, S e O Análise Termogravimétrica Taxa de perda de massa Composição das cinzas: % mássica K, Na, Ca, Mg, P, Si, Fe Poder calorífico: (kj/kg) Figura Forno mufla horizontal Outras propriedades termo-físicas: Condutividade térmica (kj/m-k), calor específico (kj/kg-k), fusibilidade das cinzas (K), densidade a granel (kg/m 3 ), massa específica (kg/m 3 ), porosidade (%), dimensões e formatos, ângulo de repouso.

9 Base seca em % mássica EBMA Voláteis Cinzas Carbono fixo Casca de arroz Fibra de coco Caroço de açaí 63,6 20,6 15,8 70,60 4,7 24,67 79,44 1,1 19,45 T o C 500 Entre os voláteis estão alcatrão e óleo que condensam entre ºC

10 EBMA O PCS do combustível é determinado reagindo o combustível com oxigênio em um calorímetro e medindo o calor liberado a uma quantidade conhecida de água. O calor libertado durante este procedimento representa a quantidade máxima de energia que pode ser obtida da biomassa por combustão. O PCS somente é uma propriedade do combustível se a amostra estiver seca.

11 ID Nome Comercial Nome científico: PCS (kcal/kg) Carbono Fixo (%) Voláteis (%) Cinzas (%) DG (kg/m3) 1 Acapu 4944,30 20,91 78,72 0, Andiroba Carapa guianensis Aubl. 4720,67 10,14 89,86 0, Angelim 4183,33 15,13 70,01 14, Angelim Pedra Hymenolobium spp. 4739,40 17,15 81,56 1, Angelim vermelho Dinizia excelsa 4881,00 20,34 79,61 0, Bambu 4533,67 17,78 81,34 0, Breo 4756,20 14,19 85,62 0, Buchas trituradas de dendê 4142,40 15,23 72,86 9, Cacho seco de amêndoa 4622,67 16,60 80,55 2, Caroço de açaí NT 4576,00 19,45 79,44 1, Casca de amêndoa 5308,33 20,66 77,73 1, Casca de palmito 3864,67 18,00 76,14 5, Cascas de castanha do Pará 4843,60 27,07 71,04 1, Cascas de nozes 5039,00 22,49 75,86 1, Cedro 4827,20 15,27 84,63 0, Copaíba Copaifera spp. 4755,00 9,05 90,87 0, Cumaru Dipteryx odorata 4810,30 13,29 86,65 0, Falso Pau-Brasil 5257,20 21,42 78,39 0, Fibra de coco 4458,33 24,67 70,60 4, Fibra de dendê 3953,18 19,59 76,21 4, Garapa 4463,00 18,33 78,51 3, Jatobá Hymenaea courbaril 4636,60 19,99 79,63 0, Louro-Faia Euplassa spp. 4710,00 17,75 82,04 0,

12 EBMA C, H, N, S e por diferença O: Cuidado com a umidade acrescenta H e O base seca. Ex: madeira C 3,3-4,9 H 5,1-7,2 O 2,0-3,1 Casca de arroz C H N S O Cinzas 38,3 4,4 0,83 0,06 35,5 21 Pinheiro 59 7,2-32,7 1,13 Caroço de açai 46 6,0 0,8-46,0 1,2 População H/C aproximadamente 1,5 e de O/C de aproximadamente 0,6 O resultado da análise elementar permite calcular o poder calorífico superior e inferior

13 EBMA Combustível + Oxidante m comb P T umid. COMBUSTÃO CO 2 + H 2 O + N 2 + Cinzas m cinzas P T Calor de Reação Q R [kj] Q kj Líquidos nos produtos é Q m R R V H2 O PCS, P PCI PCS L P m comb kgcomb mcomb m inconveniente. comb, R PCI depende da umidade da biomassa

14 EBMA PCI não é propriedade. Mais importante para biomassas sólidas do que as líquidas. PCI decresce com o aumento do teor de umidade. Teores de umidade acima de 70% inibem chama.

15 Vejamos o Filme 1 e 2

16 EBMA Species 2º range of temp. Adjustment Eq. R² Ea A AÇAI K ,239x ,32 7,39E+05 BRASILIAN NUTS K ,423.4x ,41 6,64E+01 JATOBÁ K ,378x ,29 5,08E+04 ANG. PEDRA K ,803.5x ,67 5,28E+02

17 EBMA SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, CaO, MgO, Na 2 O, K 2 O, SO 3 (95%) Aumento de teor de cinzas, reduz PCS Cinza pode derreter formando escoria líquida: Sequência: Amolece Fundi Flui Solidifica Consequência: obstrução, isolamento, cobrimento. Ca, Mg Dificulta o derretimento das cinzas K Facilita Cl, S, K, Na Promotores de corrosão (gases corrosivos, condensáveis ºC) Cd e Zn Problemas ambientais

18 EBMA 1. IEA Bioenergy: composition of fuels and ashes 2. BIOBIB database: resultados de análises elementares e imediatas mais informações sobre fusibilidade de cinzas 3. Phyllis: composição e dados de biomassa

19 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente COMBUSTÃO Usinas térmicas e queimadores Produção de vapor para geração de energia elétrica. Queima de serragem. Motores de CI Biodiesel Óleo vegetal Óleo usado

20 UFPA - Universidade Federal do Pará % massa residual EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente DTG PROCESSOS FUNDAMENTAIS TGA e DTG por TEMP para Caroço de Açaí Sólido Calor Gases Biomassa: Água Lignina Hemicelulose Celulose Lignina Cinzas Mini- Curso Conversão de Resíduos a Energia ,000

21 Processos Fundamentais: Combustão Para ocorrer é preciso; Correta razão de equivalência combustível ar (limites de flamabilidade). Liberação de calor suficiente para manter os reagentes acima da temperatura de ignição. No caso de sólidos, combustível e oxidante estão separados: chama difusa. Processo de difusão, Lei de Fick Cinética Química, Equação de Arrhenius Influência da Temperatura; Fick: fraca dependência da temperatura. Arrhenius; forte dependência da temperatura.

22 Visualização do Processo de Combustão de Sólidos

23 Exemplo de Combustão em Leito Fixo: fogão a lenha

24 Ciclo Rankine Turbina ou motor Fechado ou aberto EBMA

25 EBMA

26 Exemplo de Combustão em Leito Fixo: caldeiras CINZAS Mini- Curso Conversão de Resíduos a Energia

27 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente EXEMPLO DE COMBUSTÃO EM SUSPENSÃO: FORNALHA CICLÔNICA

28 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente Projeto: Combustor ciclônico: COMCICLONE I e II" Simulação computacional Fluent Chemkin Fortran CO 2 Temperatura

29 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente Projeto: Caldeira ciclônica: COMCICLONE III" Leito fluidizado, queima em suspensão. Baixo custo de construção. Geração de vapor

30 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente Projeto: Marajó: Programa Luz para Todos MME/CNPq/PNUD" Usina termelétrica Caldeira: 18kgf/cm 2, kg/h de vapor. Turbina de vapor: rpm, 320kW. Gerador: rpm, 200kW/380V

31 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente Projeto: Usinas termoelétricas flutuantes" Geração de energia elétrica. De fácil transporte (Transporte fluvial). Fabrica de extração de óleo vegetal.

32 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente COMBUSTÃO Usinas térmicas e queimadores Produção de vapor para geração de energia elétrica. Queima de serragem. Motores de CI Biodiesel Óleo vegetal Óleo usado

33 EBMA Propriedades Termo-físicas dos Óleos Vegetais: Property Diesel Palm Oil Gross heating value [kj/kg] Net heating value [kj/kg] Methods available for analysis ASTM D 240 ABNT NBR 8633 Volatile content (% mass) ABNT NBR 8112 Fixed carbon content (%mass) ABNT NBR ASTM D 189, D 4530 Flash point [ C] 60 >344 ABNT NBR 7974 ASTM D93 40 C ABNT NBR Viscosity [cst] 60 C ABNT NBR C ASTM D445 e D1545 Density [kg/m 3 ] at 20 C ABNT NBR 7148 Density [kg/m 3 ] at 85 C ABNT NBR 7148 Property %C %H %N %O %S Palm oil Diesel Note que OV diesel possui mais C que OV PCI em base volumétrica Diesel: 32,7 GJ/m 3 Dendê: 35,4 GJ/m 3 Dênde tem nitrogênio portanto espera-se um pequeno aumento de NOX

34 EBMA

35 EBMA PROPERTY B100 OF PALM OIL DIESEL C [%] ,80 H [%] ,50 Ultimate analysis O [%] N [%] S [%] Gross heating value [MJ/kg] Net heating value [MJ/kg] Density[kg/m 3 ] at 25 C Water content [ppm] Acidity index [mgnaoh/g] Index soap at 60 C 456 [ppm] at 80 C Flash point [ºC] Viscosity (at 60 C) [cst] PCS em base volumétrica Diesel: 35,4 GJ/m 3 B100: 28,5 GJ/m 3

36 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente MOTORES DE INJEÇÃO DIRETA E INDIRETA a) Pistão de motor de injeção direta operando com óleo diesel b) Pistão de motor de injeção direta operando com óleo vegetal após 21h de operação. Misturas diesel e óleo vegetal (> 10% óleo vegetal) não causam esse problema.

37 EBMA

38 Viscosity, cst EBMA Path 1 Path 2 Palm oil Diesel oil filter 2 path pump solenoid valve thermocouple flowmeter chamber load Temperature C

39 EBMA

40 EBMA Equipamento Parâmetro de Escolha Caldeira + Máquina a vapor Caldeira + Turbina a vapor Gasificador + Motor a centelha Gasificador + Motor a diesel Potência (kva) Eficiência (%) Maturidade tecnológica Sim Sim Não Não Custo de investimento R$/kW Custo de operação e manutenção (> 1MW) (< 1MW) R$/kWh Intermitência de fornecimento Sim Não Sim Sim Flexibilidade variação de carga Sim Pouca Pouca Sim Manutenção Frequente Pouca Pouca Freqüente

41 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente Projeto: Desempenho de motores diesel operando com óleo de palma (dendê) in natura" Disponibilização do combustível em sistemas isolados. Eletrificação de comunidades isoladas e uso em motores de embarcação.

42 EBMA Desgaste do motor Detalhe bico injetor e cilindro do motor após os ensaios com óleo vegetal puro.

43 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente TECNOLOGIAS Gasificação

44 Processos Fundamentais Secagem Pirólise Gasificação Consequência desses processos Aumentam as dimensões Reduz a massa específica Índice de porosidade ~ 0,9 (90% de vazios). Área interna na ordem de 1000 m2/g Fotografia de microscópio eletrônico mostrando carvão mineral ativado. NETL

45 Sasol plant in South Africa

46 E.R. Monazam and L.J. Shadle, (1998). EBMA

47 Gasification Chemistry Charcoal Oxygen Steam From M. Ramezan (2004) Gasification with Oxygen C + 1 / 2 O 2 CO Combustion with Oxygen C + O 2 CO 2 Gasification with Carbon Dioxide C + CO 2 2CO Gasification with Steam C + H 2 O CO + H 2 Gasification with Hydrogen C + 2H 2 CH 4 Water-Gas Shift CO + H 2 O H 2 + CO 2 Methanation CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O Gasifier Gas Composition (Vol %) H CO CO H 2 O 2-30 CH H 2 S COS N NH 3 + HCN Ash/Slag/PM

48 Coal Types of Gasifiers 1) Moving Bed EBMA Updraft Bed Product Gas Countercurrent Flow - Product Gas COLD ( o C) - Tars in Product Gas Oxygen or Air Ash Steam Temp - Ash can be Dry or Slagging Oxygen or Air Coal Steam Co-current Flow - Product Gas HOT (700 o C) - Little Tar in Product Gas Temp Downdraft Bed Product Gas Ash

49 Types of Gasifiers 2) Fluid Bed Product Gases 900-1,050 o C EBMA Coal Bubbling Product Gas Low Gas Velocity (<3 m/s) Solids Disengage from Gas Product Steam Ash Oxygen or Air Moderate Gas Velocity (3-6 m/s) Large Solids Disengage from Gas Small Solids Entrained, then Recirculated Coal Circulating Entrained Solids Gas Cyclone Product Steam Ash Oxygen or Air Gas Transport Coal High Gas Velocity (>6 m/s) All Solids Entrained, then Recirculated Steam Oxygen or Air

50 Types of Gasifiers 3) Entrained EBMA Oxygen or Air Single Stage Coal Steam Downflow Product Gas Upflow Coal Steam High Temperature (>1,250 o C) + Ash Removed as Inlet Slag + High Carbon Conversion + Negligible Tars - High Oxygen Consumption Bed Product Gas Slag Oxygen or Air Product Gas Oxygen or Air Coal 1 st Stage Steam Slag High Temperature First Stage (>1,250 o C) Second Stage Uses Heat From First + Lowers Oxygen Consumption + Reduces Product Gas Temperature Slag Coal 2 nd Stage Coal 1 st Stage Steam Oxygen or Air Two Stage Bed Slag Coal 2 nd Stage Product Gas

51 EBMA Biosyngas requires high pressure and temperature BTL biomass to liquid CTL coal to liquid

52 EBMA Corpo do gasificador Lavador 1 Sistema de limpeza de gases Lavador 2 Lavador 3 Ciclone Removedor de cinzas 2 Bombas d água Resfriador de água

53 Two-stage gasifier (75 kwth) Wood chips (15 kg/h) Air 3000 i.d. 200 P T T,P T T T T T T T T T i.d. 300 Char Fuel gas T,P Ashes

54 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente Projeto: Gasificador de dois estágios (Viking) para comunidades isoladas " Gasificação de caroço açaí. Geração de energia elétrica.

55 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente Projeto: Gasificador com Limpeza de Gases Assistida a Plasma CNPq/ITA Mistura : Argônio- Nitrogênio-H2O- Alcatrão/Etanol

56 UFPA - Universidade Federal do Pará EBMA - Energia Biomassa e Meio Ambiente A FRACTION OF THE EBMA TEAM

57 UFPA Universidade Federal do Pará Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Faculdade de Engenharia Mecânica Grupo de Energia, Biomassa e Meio Ambiente EBMA Energia Biomassa e Meio Ambiente PFRH 37 COPPE/RJ Geração de Energia a Partir de Biomassa Vegetal Outubro 2012 Manoel Fernandes Martins Nogueira mfmn@ufpa.br