VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012

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1 VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012 CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA RESIDUAL DO CAMPUS RECIFE DA UFPE PARA FINS ENERGÉTICOS: RESULTADOS PRELIMINARES Figueiredo, F. A. B.*; Figueiredo, R. A. ; Andrade, J. R. A. Q. ; Menezes, R.S.C. * Universidade Federal de Pernambuco / Departamento de Engenharia Mecânica, Rua da Arquitetura s/n, Cidade Universitária, Recife, PE; CEP: , flavio.figueiredo@ufpe.br Universidade Federal de Pernambuco / Departamento de Engenharia Mecânica, Rua da Arquitetura s/n, Cidade Universitária, Recife, PE; CEP: , renatha345@yahoo.com.br Universidade Federal de Pernambuco / Departamento de Engenharia de Energia, Av. Prof. Moraes Rego, n. 1235, Cidade Universitária, Recife, PE; CEP: , jujuqueiroga14@gmail.com Universidade Federal de Pernambuco / Departamento de Engenharia de Energia, Av. Prof. Moraes Rego, n. 1235, Cidade Universitária, Recife, PE; CEP: , rmenezes@ufpe.br RESUMO A maior ênfase que tem sido dada a utilização de combustíveis provenientes da biomassa, por motivos ambientais (conversão de biomassa em produtos energéticos com impacto ambiental aceitável) ou econômicos (alternativa aos combustíveis fósseis), exige um maior cuidado em relação à caracterização que se faz dela. A caracterização da biomassa deve ser baseada em seu uso, e trazer elementos para a compreensão das propriedades determinantes, particulares a cada aplicação. O projeto de sistemas específicos para o emprego de biomassa com fins energéticos requer um pleno conhecimento das propriedades físicas e químicas do biocombustível [1]. Encontram-se, na literatura, dados sobre propriedades relevantes para processos termoquímicos ou biológicos de conversão de vários combustíveis de interesse. Mas deve-se ressaltar a necessidade de um estudo específico a cada aplicação, em razão da grande variedade de informações e/ou necessidade de mais detalhes. Este trabalho tem por finalidade caracterizar a biomassa residual do Campus Recife da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) para ser utilizada como combustível em um ciclo Rankine ou em outra tecnologia que possa atender os requisitos impostos pelo combustível. Após a coleta das amostras da biomassa residual, será realizada as análises imediata, elementar e poder calorífico. A biomassa residual será dividida em varrição e podas. Neste trabalho apresentaremos os resultados da análise imediata e poder calorífico da varrição. PALABRAS CLAVE: Biomassa, bioenergía, biocombustíveis, procesos termoquímicos. ÁREA TEMÁTICA PRINCIPAL: 05 ENERGIA

2 INTRODUÇÃO Devido a incessante busca por fontes de energia e as pressões ambientais sobre os combutíveis fósseis, a biomassa apresenta-se como uma boa oportunidade para atender as futuras necessidades de energia. Atualmente a biomassa, em forma de lenha, já responde por aproximadamente 10% da oferta interna bruta de energia, segundo o relatório do Ministério de Minas e Energia [2], como pode ser observado na Figura 1. A queima direta da biomassa pode substituir o óleo diesel na geração de energia térmica, mecânica e elétrica através, por exemplo, de um ciclo Rankine. Outra opção para geração de energia, é a utilização do processo de gaseificação, que pode ser acoplado a um motogerador, obtendo-se energia elétrica, apesar de sua operação ser mais complexa, [3]. Ainda segundo Fontes (1989) [3], verifica-se que a biomassa e/ou resíduo de biomassa (lenha em tora, bagaço de cana de açúcar e cavaco de madeira) são os combustíveis que apresentam os mais baixos valores de custos para a mesma unidade de energia (calor) produzida. Em contraste, o custo da energia produzida a partir do óleo diesel se mostra o mais elevado entre todos, sendo, em média, o valor da unidade de energia produzida com óleo diesel cerca de dez vezes maior do que da biomassa ou seus resíduos. Figura 1: Fontes de energia primária, adaptadado de BEN, A utilização da biomassa para fins energéticos exige pleno conhecimento das propriedades físicas e químicas do combustível, sendo caracterizada de acordo com sua utilização, fornecendo as informações sobre as propriedades determinantes, particulares a cada aplicação [4]. Neste trabalho propõe-se determinar a constituição física (fração de umidade, voláteis e carbono fixo) e poder calorífico. Objetivo O objetivo deste trabalho é qualificar os resíduos de biomassa para serem utilizados como combustível em uma caldeira, verificando a quantidade de energia elétrica (ciclo Rankine) que pode ser produzida com a biomassa residual do Campus de Recife. METODOLOGIA

3 A biomassa utilizada neste trabalho foi obtida a partir do material coletado (podas de árvores e/ou varrição) pelo sistema de limpeza do Campus Recife da UFPE (Universidade Federal de Pernambuco) e analisada no Labtermo (Laboratório de Termodinâmica) do Departamento de Engenharia Mecânica. O Campus Recife de 40 hectares com seus parques e jardins geram grande quantidade de biomassa residual, cerca de 800 toneladas por ano, composta principalmente de materiais lignocelulósicos, como resíduos de capinas, de varrição e podas de árvores. Obtenção da Amostra Com o intuito de obter uma amostra o mais representativa possível do resíduo de biomassa total coletada no campus, o resíduo foi divido em caule e folhas (varrição), procurando-se obter através de medições (nos sacos plásticos ou caminhões) as porcentagens volumétricas de cada componente. Determinação da densidade A determinação da densidade será de acordo com a norma NBR pelo método de imersão [5]. De posse dos valores da densidade será calculada a massa de cada componente coletado. Análise Imediata e Análise Elementar A análise imediata fornecerá as frações mássicas de umidade, voláteis, cinzas e carbono fixo das amostras de biomassa. Os procedimentos de análise serão realizados de acordo com as normas ASTM para análise imediata de madeira [6], [7] e [8]. A umidade de equilíbrio apresentada na análise imediata refere-se à parte das amostras e não necessariamente corresponderá a umidade realizada nos experimentos. Poder Calorífico O poder calorífico superior (PCS) foi determinado utilizando-se a técnica da bomba calorimétrica (ASTM E711-87) [9]. A bomba calorimétrica mede o calor liberado pela combustão do combustível (biomassa) com oxigênio. Uma determinada quantidade do combustível é fechada dentro de um recipiente de metal com atmosfera de oxigênio sob alta pressão (3000 kpa). A bomba é então mergulhada em um recipiente com parede dupla contendo água em seu interior e na camisa; a ignição do combustível é feita através de uma conexão elétrica externa. A temperatura da água é medida em função do tempo antes e depois do processo de ignição. Conhecendo-se a massa de água do sistema, a massa e calor específico do recipiente, as curvas de aquecimento e resfriamento da água, pode-se determinar a energia liberada durante o processo de combustão. Um agitador assegura a uniformidade da temperatura da água ao redor da bomba. Esta técnica determina o poder calorífico superior a volume constante, que pode ser convertido para poder calorífico inferior por cálculos analíticos. Para os ensaios, foi utilizado o equipamento ANALIS 36862, de fabricação belga. RESUTADOS E DISCUSSÃO Até o momento foi possível realizar a análise imediata e o poder calorífico do material de varrição do Campus Recife.

4 Em comparação com as biomassas estudadas em outros trabalhos [10] [11], observa-se o alto teor de cinzas na amostra de varrição, como mostra a Tabela 1. Em um primeiro momento este fato pode ser justificado devido a provável presença de silica (areia) acumulada no processo de varrição. Essa silica também pode justificar o baixo poder calorífico apresentado na Tabela 2, comparando-se com as referências [10] e [11]. Para certificar-se que a silica está influenciando nos resultados da análise imediata e poder calorífico, deverá ser realizada análises que forneçam a concentração de material inorgânico. Tabela 1: Análise Imediata da amostra de varrição e outras biomassas pesquisadas na literatura. Umidade (% b.s.) Carbono Fixo (% b.s.) Voláteis (% b.s.) Cinzas (% b.s.) Varrição 20,47 21,13 67,58 11,29 Bagaço de Cana de açúcar [9] 6,4 (b.u.) 9,2 86,4 4,4 Eucalipto [10] Matéria seca 21,30 75,37 3,35 Casca de Eucalipto [10] Matéria seca 15,3 65,7 19,0 Tabela 2: Poder Calorífico Superior da amostra de varrição e outras biomassas pesquisadas na literatura. Varrição Bagaço de Cana de açúcar [9] Eucalipto [10] Casca de Eucalipto [10] Poder Calorífico Superior (MJ/kg) 14,722 (9,3% umidade) 16,7 (b.s.) 18,64 (b.s.) 15,195 (b.s) Para a finalização deste trabalho pretede-se quantificar a poda das árvores e obter o poder calorífico de cada espécie, sendo elas o Eucalyptus ssp, a Mangifer indica, a Tapirira guianensis, a Clitoria fairchildiana howard, a Bertholletia excelsa, a Prosopis juliflora, o Ficus carica, a Acacia auriculiformis e a Eugenia malaccensis. O ponto de fusão das cinzas é um dos fatores que interfere na decisão de qual tecnologia pode ser utilizada para um determinado combustível. A análise elementar pode fornecer a quantidade de matéria inorgânica presente nas cinzas e a partir destas concentrações obter a temperatura máxima de trabalho do reator e o tipo de tecnologia a ser empregada. Após a finalização de todas as análises será realizado um estudo para verificar a possibilidade de utilização de um ciclo Rankine, e se possível, o seu dimensionamento considerando suas eficiências para obtenção da quantidade de energia elétrica que o Campus Recife pode gerar a partir do seu resíduo de biomassa. REFERÊNCIAS 1. E.M.S. Sanchez, Alcatrão ou bioóleo: Caracterização, amostragem e utilização. In: SÁNCHEZ, C.G. (Org.). Tecnologia da gaseificação de biomassa. Editora Átomo, Campinas, p BEN- Balanço Energético Nacional Ministério das Minas e Energia (consultado em 27 de abril de 2011). 3. P. J. P. Fontes, Aproveitamento energético de madeira derivada dos desmantamentos em Rondônia. Brasília, DF: LPF/IBAMA, pp.19, F. L. P. Rezende, Comparação entre as técnicas de análise termogravimétrica e leito fluidizado para pirólise de biomassa. Dissertação de Mestrado, FEM-UNICAMP, Campinas, NBR Madeira Determinação da densidade básica, American society for testing materials, ASTM E871-82: Standard Test Method for Moisture Analysis of Particulate Wood Fuels, 2 p., 2006.

5 7. American society for testing materials, ASTM E872: Standard Test Method for Volatile Matter in the Analysis of Particulate Wood Fuels, 3 p., American society for testing materials, ASTM D : Standard Test Method for Ash in Wood, 2 p American society for testing materials, ASTM E711-87: Standard Test Method for Gross Calorific Value of Refuse-Derived Fuel by the Bomb Calorimeter, 8 p C.G. Sanchez, E. S. Lora. Biomass fluidized bed gasification research in the State University of Campinas, Energy for Sustainable Development, vol. I n o 4, pp , J. Parikh, S.A. Channiwala, G.K. Ghosal. A correlation for calculating HHV from proximate analysis of solid fuels, Fuel, vol. 84, pp , 2005.