Condicionamento da Biomassa através do processo de Torrefação para injeção na Gaseificação: aspectos fundamentais Curitiba, Paraná, Brasil 24-26 de junho de 2008 Dr Patrick Rousset Cirad (Centro de Cooperação Internacional em Pesquisa Agronômica para o Desenvolvimento)
Generalidades O uso energético da biomassa pode ser : de forma direta, pela combustão, ou indireta, pelos processos de conversão para a produção de combustíveis energeticamente mais densos (sólido, líquido ou gasoso).
Biomassa conversões térmicas Bioquímica Biomassa Termoquímica Fermentação metânica Fermentação alcoólica Extração de óleo Combustão direta Pirólise Gaseificação Metano CH 4 Etanol C 2 H 5 OH Óleos vegetais Carvão óleo Gás combustível Energia CO 2 + H 2 O A biomassa pode ser energeticamente convertida em biocombustíveis basicamente por duas vias: a via termoquímica e a via bioquímica
Definição A torrefação : Tratamento térmico caracteriza-se pela ausência parcial ou completa de agentes oxidantes (ar), Fase inicial da pirólise (Ate 280 C) que visa a produção de um combustível sólido.
Fases da pirólise Fase Temperatura ( C) Produtos I (endotérmica) Até 200 Água (secagem) II (endotérmica) 200 a 270-280 Água e ácido acético III (exotérmica) 280 a 350-380 Carvão, ácido acético, metanol e alcatrão leve IV (exotérmica) 380 a 500 Carvão e alcatrão V (exotérmica) Acima de 500 Degradação do carvão
Histórico da torrefação 1973 : Primeiro choque petróleo : valorização energética 1980 : valorização como madeira tratada 1990 até hoje : desenvolvimento industrial : produção marginal 2005 até hoje : valorização energética
Torrefação Todas as propriedades da madeira sofrem alterações graduais de acordo com o aumento da temperatura. A torrefação é justamente o meio pelo qual se busca tais alterações. 1 h 200 225 250 280 8 h amostras torrificadas entre 200 e 280 C
Propriedades da madeira torrificada Propriedades energéticas: Rendimento gravimétrico elevado: 74% Rendimento energético favorável: 90% Poder calorífico superior: 23 800 kj/kg Análise imediata: % C: 30 % voláteis: 68 % cinzas: 0,35 Propriedades físicas e mecânicas: Diminuição da higroscopicidade Aumento da estabilidade dimensional Alterações das propriedade mecânicas
Objetivos da pesquisa Objetivos globais: Pré-condicionamento da biomassa para a produção de biocombustíveis através do processo de gaseificação (leito fluidizado circulante: alta pressão, alta temperatura, micro-partículas <100µm, tempo de residência curto 4s) Objetivos específicos: Avaliar os efeitos da torrefação sobre as propriedades físicas e mecânicas como a friabilidade a fim de usar direto na gaseificação ou em formação de uma massa multi-fásica (líquida, sólida e gás) Estabelecer um balanço energético
Pesquisas fundamentais Entender as modificações químicas, físicas e mecânicas passa pela estudo do processo à escala da micro e macro partícula Necessita de uma ferramenta numérica adaptada para modelizar os eventos que acontecem durante a torrefação Ferramenta: Usamos um código numérico de secagem chamado TransPore (Perré, 1994) X P/Patm 0.3 3.0 250 Epaisseur = 50 mm 12 cm 2 c m 58 cm 4 c m 8 c m T R 4 c m P.surface L 0 1.0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Température ( C) 0.2 0.1 200 2.5 2.0 1.5 150 100 50 Consigne ( C) X.surface T.surface ( C) X.centre Temps Temsp (H) (sec) T.centre ( C) P.centre
Pesquisas fundamentais Originalidade desse trabalho: estudar a degradação de cada componente da madeira ( C, H e L) no lugar de uma aproximação global (sólido, gás, carvão) C H L Prever as propriedades da madeira torrificada
Composição da biomassa Parede celular 1 5 m Trach eïdes 20 40 m Tron co 0.1 1 1m 4 2 Cerne de crescimento 1 15 mm 3 Tábua 10 100 mm 6 Celulose Hemicelulose Lignina % Coníferas 40 a 45 7 a 14 26 a 34 9 Micrifibrila 2 10 nm 1 3 7 8 S S 1 2S 1 3 2 1 0 1 1 Moléc ula < 1nm 5 Folhosas 38 a 49 19 a 26 23 a 30
Parâmetros do modelo de pirólise 1 - Celulose: modelo de B-S modificado por Varehgyi (1989) A K T K v T V E T = 147 kj/mol A T = 2.51.109 s -1 E v = 238 kj/mol A v = 1.25.10 18 s -1 2 - Hemicelulose : modelo de Varehgyi (1989) Modelo de I A 0,43 G 1 + 0.56 S 1 II 0,56 G 2 + 0.44 S 2 E 1 = 193 kj/mol A 1 = 7, 94.1016 s -1 E II = 95 kj/mol A II = 5,01.106s -1 pirólise com 7 reações químicas 3 - Lignina : modelo de Williams (1993) A K v+c V+C E v+c = 124.3 kj/mol A v+c = 2.77.107s -1
Procedimento de cálculo Time loop (time t, time increment dt) Heat and mass transfer model (Transpore) - H R source of energy -w i Gas concentration -Reaction rates k i (T) Pyrolysis model YES t = t + dt dt increased or not (*) Evolution test NO dt decreased (*) depending on the convergence rate
Metodologia experimental: Reator de pirólise 1 Reator de torrefação 2 Balança eletrônica 3 Analisador de O 2 4 Conversor 5 Armário de controle 6 Cilindro de N 2 7 Computador
Metodologia experimental: T e P
Metodologia experimental: T e P Thermocouple Connector T/P Capillary filled with oil of silicone Montagem específica para medir a temperatura e a pressão no mesmo ponto. Board Coated film in silicone Longitudinal direction Metallic parts strongly tied As placas de aço com silicone nas extremidades oferecem a possibilidade de trabalhar com amostras de comprimento pequeno em relação a direção longitudinal
Princípio de modelisação 1D e 2D 1D Airflow across timber 2D R L R T T Pranchas com surperfície de troca de calor segundo uma ou duas direções.
Eficiência do código Comparação das curvas teóricas usando o código com e sem as reações químicas.
Resultados:Curvas teóricas de temperatura e de pressão no corpo de prova 300 270 240 Oven T C 210 Surface Temperature ( C) 180 150 120 90 Core Simulation Fenômeno de exotermia 60 30 0 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 2.2 (a) Time (min) Pressure (P/P atm ) 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 Simulation Core Surface 1.0 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 (b) Time (min) Duplo pico de pressão devido a evaporação da água e a produção do gás de pirólise
Resultados: hemiceluloses Perfil de degradação das hemiceluloses versus tempo a 250 C e 5h
Conclusões e perspectivas Conclusões: Modelo adaptado para a torrefação Possibilidade de predição dos perfis de temperatura, massa e de pressão na madeira Associar as propriedades mecânicas à degradação dos componentes da madeira e modelizar propriedades como friabilidade que interessem ao projeto final. Biomassa torrefação trituraçao Formulação gazeificação Modificações mecanicas Fischer trops biocombustivel
Obrigado Condicionamento da Biomassa através do processo de Torrefação para injeção na Gaseificação: aspectos fundamentais Curitiba, Paraná, Brasil 24-26 de junho de 2008 Dr Patrick Rousset Cirad