Título. BIOMASSA Características e Utilização. Mário Costa

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1 Título BIOMASSA Características e Utilização Mário Costa Departamento de Engenharia Mecânica Instituto Superior Técnico Avenida Rovisco Pais, Lisboa, Portugal Disciplina de Energias Renováveis, Licenciatura em Engenharia Mecânica Outubro 2005

2 Programa Biomassa - Características e Utilização Introdução A biomassa como combustível, tipos de biomassa, tecnologias de conversão da biomassa, produção de energia a partir da biomassa Combustíveis gasosos Biogás: produção (fermentação anaeróbica), composição, cogeração com biogás, custos, beneficios energéticos e ambientais, situação em Portugal e na Europa Combustíveis líquidos Etanol: produção (fermentação alcoólica), custos, situação mundial Metanol: produção (fermentação alcoólica), custos, disponibilidade Combustíveis sólidos Propriedades, corte, recolha e transporte, custos, tecnologias de queima, situação em Portugal e na Europa Caso Estudado: Controle das Emissões de NO x através da Queima de Biomassa como Combustível Secundário

3 Introdução Os combustíveis podem ser classificados em gasosos, líquidos e sólidos. Um aspecto comum a combustíveis fósseis e combustíveis de origem biológica (i.e., biomassa) é que todos foram, na sua origem, matéria viva. Uma importante diferença entre eles é a escala de tempo... enquanto os combustíveis fósseis resultaram de plantas ou animais que viveram há centenas de milhões de anos, a biomassa resulta de matéria que estava viva há poucos anos, ou mesmo dias. Assim, ao contrário dos combustíveis fósseis, a biomassa é renovável.

4 Introdução (cont.) Os principais combustíveis fósseis são o gás natural, os derivados do petróleo bruto (por exemplo, gasolinas, gasóleos, querosenes e fuelóleos) e o carvão. O termo biomassa cobre uma extensa categoria de materiais, incluindo: -madeira, - desperdícios vegetais, tais como a palha e a casca de arroz, - resíduos de origem animal, tais como esgotos domésticos e estrume, - resíduos industriais, - resíduos sólidos urbanos. É previsível que a biomassa, a partir da qual se obtém actualmente cerca de um sétimo da energia mundial, venha a ter cada vez maior importância no contexto energético mundial, quer por via da sua transformação em biocombustíveis líquidos ou gasosos quer por via da sua queima directa.

5 Introdução (cont.) Tecnologias de Conversão da Biomassa Conversion Technique Temperature (ºC) Pressure Main Products Combustion atm. high heat Pyrolysis atm. high char, liquids, gas Gasification atm. high CO, H 2, CH 4 Hydrothermal Upgrading very high liquids, char, gas Aerobic Fermentation << 100 atm. Ethanol Anaerobic Fermentation < 100 atm. CH 4

6 Introdução (conc.) Produção de Energia a partir da Biomassa electrical efficiency (co-) combustion coal/gas power plant steam turbine, engine 30-40% 15-20% solid biomass gasification stirling engine gas turbine, combined cycle 10-15%* 20-35% gas-engine (CHP) ca. 25% liquefaction fuel cell 30-45%** * lower output range than steam turbine ** dependent on fuel cell type

7 Combustíveis Gasosos Renováveis Os combustíveis gasosos podem ser produzidos a partir da madeira e outros tipos de biomassa através, por exemplo, da gaseificação. Biogás O gás natural sintético, ou biogás, também conhecido por biometano, pode ser produzido a partir de uma grande variedade de matéria orgânica, nomeadamente resíduos animais e vegetais, resíduos industriais e resíduos sólidos urbanos. Muitos países empenhados, existindo já numerosas unidades, por todo o mundo, produzindo gás por processos de pirólise, gaseificação termoquímica e fermentação anaeróbica. A gaseificação termoquímica só pode ser usada com biomassas que apresentem valores de humidade inferiores a 50%.

8 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Produção de Biogás Ao contrário da gaseificação, a fermentação anaeróbica é um processo microbiológico que exige um alto teor de humidade. A fermentação anaeróbica (ou metânica) pode definir-se como a decomposição da matéria orgânica na ausência de oxigénio onde, devido à acção de bactérias específicas, se sucedem degradações em cadeia conducentes à produção do biogás. A matéria orgânica é colocada num digestor fechado, aparelho que possibilita a sua fermentação anaeróbica, conservada a uma temperatura de cerca de ºC, de preferência pelo próprio calor gerado, fermentando num período de algumas semanas. O processo nunca é totalmente anaeróbico e, como tal, entre 20% a 40% (em volume) do gás produzido é CO 2. Apesar disso é um combustível cuja utilização é interessante do ponto de vista energético e, além disso, os resíduos sólidos que restam do processo constituem um fertilizante para a agricultura melhor do que o resíduo original.

9 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Composição do Biogás Componente Composições em % volúmica CH CO 2 H N O H 2 S NH CO 0-0.1

10 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Propriedades de vários combustíveis gasosos Parâmetro GN Argélia Gás de cidade Gases Manufacturados Gás de carvão Gás de refinaria Biogás CH 4 (% vol.) C 2 H 6 (% vol.) C 3 H 8 (% vol.) 2.7 C 4 H 8 (% vol.) 3.0 C 4 H 10 (% vol.) H 2 (% vol.) CO (% vol.) CO 2 (% vol.) N 2 (% vol.) PCI a 100 kpa e 298 K MJ/kg MJ/Nm PCS a 100 kpa e 298 K MJ/kg MJ/Nm

11 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Relação de Equivalência entre 1 m 3 Combustíveis de Biogás e outros 1.5 m 3 de gás de cidade 0.3 m 3 de propano 1 m 3 de biogás 7 kwh 0.8 litro de gasolina 1.3 litro de álcool 0.7 litro de gasóleo

12 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Sistema Descontínuo de Digestão Anaeróbia BIOGÁS Efluente poluente Digestor aberto em fase de enchimento Digestor fechado em fermentação Efluente tratado

13 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Sistema Contínuo de Digestão Anaeróbia BIOGÁS Tanque de recepção Bombagem Digestor contínuo Efluente tratado

14 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Digestor de biogás A pressão do gás pode ser ajustada por pesos Tecto metálico flutuante sobre o gás Saída de gás Gás Estrume pastoso Lamas residuais Câmara de fermentação Barreira divisória

15 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Etapas do Processo da Digestão Anaeróbia 1ª Etapa Fase hidrolítica Grandes moléculas orgânicas hidratos de carbono proteínas lípidos Moléculas de menor peso molecular açucares aminoácidos e glicerol ácidos gordos

16 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Etapas do Processo da Digestão Anaeróbia 2ª Etapa Fase acidogénea Produtos provenientes da 1ª etapa formam a dieta alimentar de uma série de estirpes bacterianas anaeróbias Produção de compostos de baixo peso molecular e gases com teores de CO, H 2, H 2 S reduzidos responsáveis pelo poder corrosivo e odor do biogás

17 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Etapas do Processo da Digestão Anaeróbia 3ª Etapa Fase metanogénea Produtos provenientes da 2ª etapa as bactérias metanogéneas entram em actividade, degradando os ácidos voláteis produzidos nas fases anteriores Biogás libertação da mistura gasosa com características de gás combustível

18 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Parâmetros que Influenciam o Processo de Digestão Anaerobiose: A ausência de oxigénio é uma condição não necessária para o normal funcionamento das duas primeiras etapas do processo da digestão anaeróbia mas na fase metanogénea, o metabolismo das bactérias metanogéneas é inibido quando em presença de oxigénio atmosférico. ph: O intervalo mais favorável ao metabolismo das bactérias metanogéneas situa-se entre 6.8 a 7.5. Temperatura: O intervalo de temperatura (4 a 70 ºC) relativamente largo no qual o processo de fermentação anaeróbia se pode desenvolver abrange a actividade de três estirpes de bactérias metanogéneas, caracterizadas por comportamentos bastante diferenciados quanto à capacidade de degradação da matéria orgânica, produção de biogás, estabilidade, etc...

19 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Relação entre Valores de Tempo de Retenção e Temperatura de Fermentação Temperatura (ºC) Tempo Mínimo (dias) Tempo Óptimo (dias)

20 Combustíveis Gasosos Renováveis (cont.) Produções de Biogás/Animal.Dia e Relações de Equivalência entre Diferentes Tipos de Animal Animal Vacas Leiteiras Bezerros Suínos Homens Galinhas Produção (m 3 /animal.dia) No Peso médio m por animal: Produção específica de biogás: 590 kg (vacas leiteiras) 360 kg (bezerros) 50 kg (suínos) 1.9 kg (galinhas) 1 kg de sólidos voláteis 0.5 m 3 de biogás

21 Combustíveis Gasosos Renováveis veis (cont( cont.) Sistema Típico de Cogeração com Biogás DIGESTOR TANQUE DE HOMOGENEIZAÇÃO FILTRO LAGOA DE RETENÇÃO T. D. C1 LINHA DE ÁGUA B1 GASÓMETRO FILTRO T 1 GERADOR MOTOR T 2 CALDEIRA LINHA DE GÁS

22 Combustíveis Gasosos Renováveis veis (cont( cont.) Biogás: Custos de Produção (2004) Investimento para uma unidade tratamento de ton/ano: com capacidade para - cerca de Custos operacionais - cerca de 38 /ton (sem amortizações) - cerca de 53 /ton (incluindo amortizações e impostos)

23 Combustíveis Gasosos Renováveis veis (cont( cont.) Biogás: Benefícios Energéticos A maior parte dos sistemas de biogás produzem a energia necessária à normal actividade das explorações agropecuárias onde se encontram, sendo frequente produções de biogás superiores às necessidades. Quando se opta pela utilização do biogás em grupos de cogeração, parte da energia térmica e eléctrica produzida destina-se a ser usada no processo, existindo contudo um excedente que pode, e deve, ser valorizado. A receita associada a esta valorização pode ser bastante significativa 10 a 40% do valor total das receitas. Uma outra valorização energética possível, prende-se com a utilização agrícola do efluente depurado como fertilizante orgânico (mais-valia do efluente).

24 Combustíveis Gasosos Renováveis veis (cont( cont.) Biogás: Benefícios Ambientais O tratamento de efluentes de natureza orgânica pode ser feito através de diversos processos, sendo os mais comuns os sistemas de lagoas e os sistemas convencionais de lamas activadas. No âmbito da agro-pecuária, a aplicação da lagunagem é uma solução de baixo custo frequentemente praticada, apresentando, no entanto, a desvantagem de ser muito exigente em termos de espaço (tempos de retenção superiores a dias). A aplicação de arejamento nestas lagoas, para reduzir os tempos de retenção, implica importantes investimentos em equipamento e a elevados consumos de energia eléctrica. Os biodigestores, ao degradar cerca de 60 a 90% da matéria, permitem uma redução significativa dos tempos de retenção e facilitam a realização dos trabalhos de limpeza das lagoas. A principal razão que preside à instalação de um sistema de biogás prende-se com interesses de ordem ambiental, sendo o aproveitamento do biogás uma valorização adicional que incentiva a aplicação desta tecnologia para a despoluição de efluentes orgânicos concentrados.

25 Combustíveis Gasosos Renováveis veis (cont( cont.) Sistemas a Biogás em Portugal por Sector de Actividade Sector de Actividade Sistemas Instalados Suínos Cavalos Bovinos Indústria Alimentar (Leite) Distilarias ETAR

26 Combustíveis Gasosos Renováveis veis (cont ( cont.) Biomassa Disponível em 2003 para Produção de Biogás em 15 Países da CE mills of tons 50 0 Austria Belgium Denmark Finland France Germany Greece Ireland Italy Luxembourg Netherlands Portugal Spain Sweden U.Kingdom Animal Manure Household Organic Waste Sewage Sluge Industrial Org

27 Combustíveis Gasosos Renováveis veis (cont ( cont.) Produção de Biogás em 2001 em 15 Países da CE thousands of tons Austria Belgium Denmark Finland France Germany Greece Ireland Italy Luxembourg Netherlands Portugal Spain Sweden U.Kingdom

28 Combustíveis Gasosos Renováveis veis (conc ( conc.) Estimativa do Potencial de Produção de Energia Usando Biogás para 2020 em 15 países da CE PJ Austria Belgium Denmark Finland France Germany Greece Ireland Italy Luxemburg Netherlands Portugal Spain Sweden U. Kingdom 0 PJ (Peta Joule) = J

29 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis Nos últimos anos, têm sido inúmeros os esforços no sentido de desenvolver combustíveis líquidos alternativos a partir de recursos renováveis (biocombustíveis) de forma a prolongar as reservas finitas de petróleo no mundo. Assim, óleos de origem animal (por exemplo, sebo de bovinos e gordura de baleias) e óleos vegetais derivados de sementes de girassol, soja e sementes de algodão têm sido usados como combustíveis. No passado, no entanto, o uso destes materiais foi limitado a aplicações específicas, como, por exemplo, óleo para iluminação. A fotossíntese realizada pelas plantas produz hidratos de carbono, isto é, compostos com carbono, hidrogénio e oxigénio na sua composição, como, por exemplo, açúcar, amido e celulose. Estes materiais podem ser convertidos em álcoois. Uma vez que os combustíveis derivados da biomassa são hidrocarbonetos oxigenados (álcoois), apresentam poderes caloríficos menores, teores de humidade maiores e teores de enxofre, cinzas e azoto menores do que os combustíveis líquidos derivados do petróleo bruto.

30 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis (cont( cont.) Propriedades de Combustíveis Líquidos para Veículos Motorizados Tipo de combustível Parâmetro Gasolina Gasóleo Metanol Etanol Densidade a 16 ºC Viscosidade cinemática a 20 ºC (m 2 /s) 0.8x x x x10-6 Gama de temperaturas de ebulição (ºC) Temperatura de inflamação (ºC) Temperatura de auto-ignição (ºC) Índice de octano Índice de cetano < < 15 < 15 (m ar /m fu ) esteq, massa Calor latente de vaporização (kj/kg) PCI (MJ/kg)

31 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis (cont( cont.) Etanol O etanol (ou álcool etílico) é o mais comum dos álcoois e caracteriza-se por ser um composto orgânico obtido através da fermentação de substâncias amiláceas ou açucaradas, como a sacarose existente na cana-de-açúcar ou nos resíduos que restam depois da extracção do açúcar. O etanol é utilizado como combustível desde o aparecimento dos automóveis. Desde então até aos dias de hoje, o uso do etanol em veículos motorizados tem tido consideráveis avanços. Como combustível para automóveis, o álcool tem a vantagem de ser uma fonte de energia renovável e menos poluidora que os derivados do petróleo. O álcool é também menos inflamável e menos tóxico que a gasolina e o gasóleo.

32 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis (cont( cont.) Etanol A nível mundial, o exemplo mais conhecido da obtenção de etanol a partir dos recursos renováveis sólidos acima referidos é, provavelmente, o caso brasileiro. O etanol assim obtido pode ser utilizado directamente em motores de automóveis devidamente adaptados ou na forma de uma mistura com gasolina num motor de automóvel convencional. A produção de etanol é realizada através da fermentação alcoólica de açucares simples, tais como a frutose, a glucose e a sacarose, promovida essencialmente por leveduras mas também por bactérias. Se a matéria prima não for constituída por açucares simples, mas por polímeros de hidratos de carbono, terá de ser efectuada a hidrólise dos polímeros, numa primeira fase, seguida da fermentação alcoólica dos açucares obtidos na etapa hidrolítica.

33 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis (cont( cont.) Etanol As matérias primas mais fáceis de fermentar são a cana de açucar ou a beterraba porque são constituídas por sacarose e, por isso, directamente fermentáveis, sem necessidade de prétratamentos. No Brasil a cana de açucar é a principal matéria prima utilizada; em França é a beterraba; nos EUA e na maioria dos países europeus o bioetanol é essencialmente produzido a partir de cereais, principalmente milho. Os grãos de cereais são constituídos por amido que tem de ser hidrolisado por ácidos ou enzimas a açucares do tipo da glucose, antes de ser fermentado. Outra matéria prima com um enorme potencial para a produção de etanol é a celulose que se pode obter directamente de resíduos agrícolas e florestais (tem menor custo mas fermentação mais difícil comparativamente às outras matérias primas).

34 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis (cont( cont.) Balanços Mássicos Associados à Produção de Etanol a Partir de Beterraba e Trigo Beterraba kg Trigo kg Raízes kg Folhas kg Grão kg Palha kg Matéria Seca kg Líquido kg Matéria Seca Malte kg Matéria Seca kg kg Etanol kg Etanol kg (Fonte: CE, 1994)

35 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis (cont( cont.) Fermentação Alcoólica: Produção de Etanol a Partir de Milho Whole Corn Hammer Mill Jet Cooker Enzymes CO Slurry Tank Mash Cooling 5% Gasoline Water Sources Liquefaction Yeast Fermentation 200 Proof Denatured Ethanol Final Product 200 Proof Ethanol Molecular Sieves 190 Proof Ethanol Beer DDGS Final Product Drum Dryer Wet Grain Distillation System Syrup Evaporators Condensate Thin Stillage Centrifuge Whole Stillage

36 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis (cont( cont.) Etanol: Custos de Produção (2000) /litro Matéria Prima 0.18 Operacionais 0.2

37 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis (cont( cont.) Produção de Etanol por Continente em ,2% 1,7% 19,6% 65,5% Americas Asia/Pacific Europe Africa

38 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis (cont( cont.) Produção de Etanol (2001 versus 2006) bln litres Brazil USA Others

39 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis (cont( cont.) Metanol Actualmente, o metanol é produzido essencialmente a partir de gás natural e/ou carvão. A obtenção de metanol a partir da biomassa tem sido extensamente investigada. Regra geral, de uma tonelada de biomassa podem ser extraídos cerca de 700 litros de metanol. O procedimento convencional de obtenção de metanol a partir de gás natural consiste em fazer reagir este gás com vapor de água para obter um gás de síntese composto por CO, CO 2, água e H 2 com o qual se pode obter metanol. Um processo complementar consiste em utilizar uma oxidação parcial do metano podendo o CO 2 e H 2 produzidos nesta última reacção ser combinados com o H 2 em excesso para a produção de quantidades adicionais de metanol.

40 Combustíveis Líquidos Renováveis (cont.) Produção de Metanol a partir de Carvão

41 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis (cont( cont.) Metanol: Custos de Produção Euro per Metric Ton Transportation Costs Commodity Cost of Gas Plant Operating Cost No caso da produção de metanol a partir de biomassa o seu custo é superior; em 2001 cerca de a por litro mais elevado.

42 Combustíveis Líquidos L Renováveis veis (conc( conc.) Metanol: Disponibilidade

43 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis Na natureza, a abundância do carvão não tem rival. As suas reservas mundiais conhecidas são suficientes para assegurar, ao ritmo actual de extracção, a exploração durante vários séculos. No entanto, o carvão é uma fonte de energia particularmente não atractiva, apresentando-se como o combustível fóssil potencialmente mais poluente, nomeadamente no que respeita às emissões de dióxido de carbono, óxidos de azoto e enxofre, partículas e metais pesados. Existem diversos tipos ou categorias de carvão, desde a antracite num dos extremos até lenhite no outro, os quais podem ser classificados de acordo com as suas propriedades em conjunto com a turfa e a madeira. O lixo municipal e certos resíduos sólidos industriais podem também ser classificados como combustíveis sólidos.

44 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) A composição dos combustíveis sólidos pode ser expressa de várias formas, a saber: as-received, em base seca ou em base seca, sem cinzas. Os combustíveis sólidos não apresentam uma composição uniforme, logo não podem ser representados por uma fórmula química definida. Basicamente, a sua caracterização é realizada através de dois tipos diferentes de análises químicas: a análise imediata e a análise elementar. A análise imediata de um combustível é determinada experimentalmente em laboratório e quantifica as percentagens mássicas de humidade, matéria volátil, carbono fixo e cinzas presentes no sólido.

45 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) A biomassa é um material celulósico que pode ser, ou não, lenhoso. A biomassa não lenhosa inclui resíduos agrícolas tais como bagaço de azeitona, palha, cascas e caroços de frutos, sementes e estrume. A biomassa lenhosa inclui a lenha, pontas e ramos de árvores, casca de árvores e serradura. A madeira seca, por exemplo, é constituída por celulose, hemicelulose, lenhose, resinas e cinzas. A celulose representa cerca de 40-45% da massa da madeira seca, a hemicelulose cerca de 20-35%, a lenhose contribui com 15-30%, enquanto que as resinas e cinzas estão presentes somente em pequenas percentagens. Além do aproveitamento do potencial energético da biomassa pelas vias indirectas, a queima directa da biomassa sólida em caldeiras de grelha fixa, móvel ou inclinada e de leito fluidizado, entre outras, tem merecido crescente atenção por parte de muitos países, entre os quais Portugal.

46 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Valores Típicos das Percentagens Mássicas de Oxigénio, Água e Cinzas Presentes nos Combustíveis Sólidos Combustível Oxigénio (base seca, sem cinzas) Água (sem cinzas) Cinzas (base seca) Madeira Turfa Lenhite > 5 Carvão betuminoso 5 5 > 5 Antracite 2 4 > 5

47 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Valores Típicos das Percentagens Mássicas de Humidade, Matéria Volátil, Carbono Fixo e Cinzas e do Poder Calorífico de Vários Combustíveis Sólidos Teor de humidade Madeira Turfa Lenhite Semi-betuminosos Betuminosos Antracite Grafite natural Matérias voláteis Carbono fixo Cinzas Aumento em categoria MJ/kg

48 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Propriedades de Várias Biomassas Nacionais Quantidade Casca de Arroz Caroço de Pêssego Serrim Casca de Pinheiro Pontas e Ramos de Pinheiro Caroço Azeitona Análise imediata (% wt) Humidade Matéria volátil Carbono fixo Cinzas Análise elementar (% wt) Carbono Hidrogénio Azoto Enxofre Oxigénio PCS (MJ/kg) PCI (MJ/kg)

49 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Propriedades de Vários Combustíveis Sólidos Combustível Carbono Hidrogénio Composições em % mássica Azoto Enxofre Oxigénio Matéria volátil Cinzas PCS (MJ/kg) Cedro Pinheiro Pinho vermelho Bétula Carvalho Choupeiro Madeira (típica) Turfa Lenhite Carvão Semi-betuminoso Carvão betuminoso Antracite Carvão vegetal Coque (Todos os dados em base seca, sem cinzas)

50 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) The Main Sources of Forest Fuels Small diameter trees from early thinnings Harvesting costs are high - Cost difference to logging residue chips is about /m³ - Resources difficult to locate, measure and get to market Logging residues from final fellings Stumps from final fellings - A side product of final cuttings - Accumulation easy to estimate and locate - Harvesting costs are quite low

51 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Small diameter trees from early thinnings Production methods of chips from small-sized trees Manual felling and piling of small-sized stems Felling frame Pile of small-sized delimbed or undelimbed trees near forest road Forest haulage of small-sized trees Chipping Transportation to heating plant Heating plant Accumulating feller-buncher

52 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Logging residues from final fellings Supply chains for logging residues BUNDLING METHOD Bundling of logging residues Forest haulage by tractor equipped for log haulage On-road transportation by log trucks Logging residue compacting truck trailer On-road transportation of loose logging residues TERRAIN CHIPPING-METHOD Chipping of residues on road-side terminal LOOSE RESIDUES Crushing of bundles or loose residues in the plant CHIPPING IN ROAD SIDE-METHOD

53 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Stumps from final fellings Stump harvesting

54 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Corte, Recolha e Transporte STAND: 3 Round wood 250 m Forest residues 100 m At least one third of the logging residues and stumps will be left in the forest as a fertiliser ROUND WOOD WITH BARK 3 HARVESTING FOREST RESIDUES 1 hectare STUMPS 3 Potential m For energy m m = 2,5 i-m m m 3 Bark, sawdust and other wood residues E.Alakangas 3 SAWMILL/PULP MILL m Wood fuel TOTAL WOOD FUELS m = MWh Heat production = MWh Electricity production = MWh

55 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Custos dos Combustíveis Florestais na Filândia em Cost, /m Management Road transport Chipping at roadside Forw arding to roadside Felling 0 Small trees, 40 km Small trees, 80 km Residues, 40 km Residues, 80 km

56 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Queima Directa de Biomassa Tecnologias Caldeira com combustão de partículas em suspensão Caldeira com combustão em grelha móvel Caldeira com combustão em leito fluidizado

57 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Caldeira com combustão em leito fluidizado borbulhante Superheaters Fuel feeding Water tubes Tertiary air Start up burners Refractory Sand Primary air Secondary air Bottom ash removal

58 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Caldeira com combustão em leito fluidizado circulante Dilute suspension Water tubes Circulation Secondary air Dense suspension Cyclone Return leg Fuel Primary air

59 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Queima Directa de Biomassa Comparação das Características Principais dos Processos de Combustão em Suspensão, em Grelha e em Leito Fluidizado Processo de combustão Característica Suspensão Grelha Leito fluidizado Eficiência da combustão (%) Eficiência térmica global (%) Excesso de ar (%) Granulometria do combustível (mm) < Temperatura de operação (ºC) Emissões de NO x Alta Alta Baixa Captura de SO x (%) 80-90

60 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (cont( cont.) Central de Resíduos Florestais de Mortágua A central tem uma potência instalada de 9 MW e entrou em serviço industrial em Em 2003, a central teve uma produção líquida de cerca de 38 GWh, tendo os resíduos florestais consumidos atingido cerca de 90 mil toneladas, das quais perto de 78% foram resíduos florestais directos e 22% cascas de pinheiro e de eucalipto.

61 Combustíveis Sólidos S Renováveis veis (conc ( conc.) Co-Combustão na Europa RDF sewage sludge Biomass # of units with experiences 0 Austria Belgium Denmark Finlande France Germany Great Britain Greece Ireland Italy Luxembourg Netherlands Poland Portugal Spain Sweden

62 Caso Estudado ControledasEmissõesde NO x através da Queima de Biomassa como Combustível Secundário

63 Mecanismos de Formação de NO x Imediato (Fenimore) Mecanismo Intermédio de N 2 O Térmico (Zeldovich) N 2 + O NO + N N + O 2 NO + O N + OH NO + H Combustível Fuel-N HCN NH i NO N 2

64 Métodos de Controle das Emissões de NO x Alterações no processo de combustão (soluções preventivas) Recirculação (externa) dos produtos de combustão Injecção de água/vapor (flame cooling)

65 Métodos de Controle das Emissões de NO x (cont.) Alterações no processo de combustão (soluções preventivas) Estagiamento do ar de combustão Estagiamento do combustível

66 Métodos de Controle das Emissões de NO x (cont.) Alterações no processo de combustão (soluções preventivas) Reburning Ultra-lean combustion

67 Métodos de Controle das Emissões de NO x (conc.) Tratamentos pós-combustão (soluções correctivas) Injecção de amoníaco, carbono activado, Precipitadores electroestáticos, filtros de mangas, Alterações no processo + Tratamentos pós-combustão Advanced Reburning

68 Motivação A formação de óxidos de azoto (NO x ) é uma importante fonte poluente em sistemas de combustão. O reburning provou ser uma estratégia de controle efectiva para reduzir emissões de NO x de diferentes sistemas de combustão. Os hidrocarbonetos gasosos foram identificados como os combustíveis secundários mais efectivos devido ao conteúdo mínimo de azoto que apresentam na sua composição e, ainda, devido à sua habilidade para produzir radicais CH i activos. A maioria dos trabalhos de investigação em reburning considerou combustíveis fósseis, principalmente carvões pulverizados, como combustíveis secundários. Em geral, estes estudos revelam que reduções de NO x acima de 60-70% podem ser obtidas recorrendo ao uso de cerca de 20-25% de combustível secundário.

69 Motivação (conc.) O uso de carvão como combustível secundário pode ter um impacto negativo na percentagem de carbono nas cinzas. Assim, o uso de biomassa como combustível secundário pode ser uma excelente alternativa ao carvão, podendo reduzir o efeito negativo do reburning na eficiência global da combustão, devido ao conteúdo mais elevado de matéria volátil que as biomassas possuem quando comparadas com a generalidade dos carvões. Além disso, do ponto de vista ambiental, a biomassa apresenta várias vantagens relativamente aos combustíveis fósseis convencionais. Aparte da sua natureza renovável, a biomassa tem níveis mais baixos de enxofre e, normalmente, metais pesados tóxicos, e é neutra em termos de CO 2. Por outro lado, o combustível secundário normalmente representa somente 20-25% da carga térmica total, de forma que somente pequenas quantidades de biomassa são necessárias para o reburning ser efectivo.

70 Objectivos Avaliar o potencial do reburning usando casca de arroz como combustível secundário na redução das emissões de NO x de uma fornalha laboratorial. Para permitir uma análise comparativa, foram também realizados ensaios usando gás natural gas e etileno como combustíveis secundários. Os resultados foram obtidos em função do tipo de combustível secundário para cada combustível secundário, o potencial de redução das emissões NO x foi analizado em função de: Fracção de combustível secundário (ou estequiometria da zona secundária) Tempo de residência na zona secundária Concentraçãode NO x à entrada da zona secundária

71 Fornalha do IST

72 Fornalha do IST Natural Gas Natural Gas

73 Configuração do Queimador e do Sistema de Reburning Burner gun Ceramic fibre Igniter Quarl Water out Water out Water in Refractory Primary air Natural gas Secondary air + NH 3 (Swirl) o 60 Ø56 Ø120 Z , Reburn fuel 32 Z Overfire air Ø Dimensions in mm

74 Técnicas Experimentais Espécies químicas gasosa:sonda arrefecida a água O 2 : analisador paramagnetico CO, CO 2 : analisador não dispersivo de infravermelhos HC: detecção por ionização de chama NO x : sonda arrefecida a água, linha aquecida NO X : analisador de quimiluminiscência Sólidos: sonda arrefecida a água com chuveiro na extremidade.

75 Características dos Combustíveis e Condições de Operação da Fornalha (a) Characteristics of rice husk Proximate analysis (wt %) Ultimate analysis (wt %) Particle size (% under) Moisture 9.8 Carbon µm 4.0 Volatiles 59.9 Hydrogen µm 11.6 Fixed Carbon 14.7 Nitrogen µm 17.6 Ash 15.6 Sulphur µm 54.2 Oxygen µm 77.9 High Heating Value (MJ/kg) µm 97.6 Low Heating Value (MJ/kg) µm 100 (b) Characteristics of hydrocarbon gaseous fuels Composition (vol. %) Natural Gas Ethylene CH C 2 H C 2 H C N CO He High Heating Value (MJ/kg) Low Heating Value (MJ/kg) (c) Furnace operating conditions Reburn Fuels Parameter Natural Gas Ethylene Rice Husk Total thermal input (kw) Primary zone stoichiometric ratio Reburn zone stoichiometric ratio Burnout zone stoichiometric ratio Reburn fuel fraction (%) Reburn zone residence time (s) NO x concentration at primary zone exit (ppm)

76 Principais Reacções de Reburning NO + CH i HCN + (1) Em condições ricas: HCN + O NCO + H (2) NCO + H NH + CO (3) NH + H N + H 2 (4) N + NO N 2 + O (5) mas em condições pobres: CH i + O CO + H + (6) As reacções (1) e (6) consomem CH i competitivamente. No reburning o objectivo é maximizar a exposição NO/CH i e minimizar a interacção CH i /O 2 NO + NH i N 2 + H 2 O (7)

77 Efeito do Fluido de Transporte da Biomassa NO X Reduction (%) Rice Husk (N 2 ) Rice Husk (Air) Reburn fuel fraction (%) Initial NO x concentration: 350 ppm Reburn zone residence time: 0.7 s

78 Efeito da Fracção de Combustível Secundário NO X Reduction (%) Rice Husk (Air) Natural Gas Ethylene Reburn fuel fraction (%) Initial NO x concentration: 350 ppm Reburn zone residence time: 0.7 s

79 Efeito do Tempo de Residência na Zona de Reburning NO X Reduction (%) Reburn zone residence time (s) Initial NO x concentration: 350 ppm Reburn fuel fraction: 20% Rice Husk (Air) Natural Gas Ethylene

80 Efeito da Concentração Inicial de NO x NO X Reduction (%) Rice Husk (Air) Natural Gas Ethylene Initial NO X concentration (ppm) Reburn fuel fraction: 20% Reburn zone residence time: 0.7 s

81 Redução de NO x versus Burnout Particle Burnout (%) Rice Husk (Air) NO X Reduction (%) Reburn fuel fraction: 5% to 30% Reburn zone residence time: 0.32 s to 0.92 s Initial NO x concentration: 350 ppm

82 Conclusões O desempenho da casca de arroz como combustível secundário no reburning é comparavel ao do gás natural para fracções de combustível secundário elevadas; atingiram-se reduções nas emissões de NO x de cerca de 60% com fracções de casca de arroz de cerca de 25-30%. Existe uma correlação entre a extensão da redução das emissões de NO x e o grau de oxidação do resíduo carbonoso: quanto mais elevada a redução menor o grau de oxidação.