Condicionamento da Biomassa através do processo de Torrefação para injeção na Gaseificação: aspectos fundamentais

Curitiba, Paraná, Brasil24-26 de junho de 2008

Dr Patrick RoussetCirad (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

Fermentação metânica

Extração de óleo

Pirólise Fermentação alcoólica

Gaseificação

Metano CH4

Óleos vegetais

Carvão óleo

Etanol C2H5OH

Gás combustível

Energia CO2 + H2O

Bioquímica Termoquímica Biomassa

Combustão direta

A biomassa pode ser energeticamente convertida em biocombustíveisbasicamente 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

8 h

200° 225° 250° 280°

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 higroscopicidadeAumento 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 torrefaçãoFerramenta: Usamos um código numérico de secagem chamado “TransPore” (Perré, 1994)

58 cm12

cm

4 cm

2 cm

8 cm

4 cm

RT

L 0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121.0

1.5

2.0

2.5

3.0P/Patm

0

0.1

0.2

0.3X

Consigne (°C)

T.surface (°C)

X.surface

P.surface

X.centre

T.centre (°C)

P.centre

Temsp (sec)

Tem

péra

ture

(°C

)

Epaisseur = 50 mm

Temps (H)

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121.0

1.5

2.0

2.5

3.0P/Patm

0

0.1

0.2

0.3X

Consigne (°C)

T.surface (°C)

X.surface

P.surface

X.centre

T.centre (°C)

P.centre

Temsp (sec)

Tem

péra

ture

(°C

)

Epaisseur = 50 mm

Temps (H)

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

Prever as propriedades da madeira torrificada

L

Composição da biomassa

Celulose Hemicelulose Lignina

%

Coníferas 40 a 45 7 a 14 26 a 34

Folhosas 38 a 49 19 a 26 23 a 30

Tronco

0.1 –1m

Tábua10 –

Cerne de crescimento1 – 15 mm

Tracheïdes20 –

40 �mParede celular

1 – 5 �m

rifibrila10 nm

Molécula

< 1nm

12

34

5

6

100 mm

Mic2 –

789

S1S

2S3 1

0 11

12

13

Parâmetros do modelo de pirólise

1 - Celulose: modelo de B-S modificado por Varehgyi (1989)

A K T

V

T

K v

ET = 147 kJ/molAT= 2.51.109 s-1

Ev = 238 kJ/molAv= 1.25.1018s-1

2 - Hemicelulose : modelo de Varehgyi (1989) Modelo de pirólise com 7 reações químicas

A 0,43 G1 + 0.56 S1

0,56 G2 + 0.44 S2

I

II

E1 = 193 kJ/molA1= 7, 94.1016 s-1

EII = 95 kJ/molAII= 5,01.106s-1

Ev+c = 124.3 kJ/molAv+c = 2.77.107s-1

3 - Lignina : modelo de Williams (1993)

A V+C Kv+c

Procedimento de cálculo

Heat and mass transfer model

(Transpore) -Reaction rates ki(T)

Time loop (time t, time increment dt)

YES t = t + dt

dt increased or not (*)

NO dt decreased

Pyrolysis model

-∆HR source of energy -wi Gas concentration

(*) depending on the convergence rate

Evolution test

Metodologia experimental: Reator de pirólise

1 – Reator de torrefação

5 – Armário de controle

2 – Balança eletrônica

6 – Cilindro de N2

3 – Analisador de O2

7 –Computador

4 – Conversor

Metodologia experimental: T e P

Metodologia experimental: T e P

Board

Thermocouple

Connector T/P

Capillary filledwith oil of silicone

Metallic parts strongly tied

Longitudinal direction

Coated film in silicone

Montagem específicapara medir a temperaturae a pressão no mesmoponto.

As placas de aço comsilicone nas extremidadesoferecem a possibilidadede trabalhar comamostras de comprimentopequeno em relação a direção longitudinal

Princípio de modelisação 1D e 2D

Airflow acrosstimber

R

T

LR

T

1D

2D

∞∞

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

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120

Simulation

Surface

Core

Time (min)

Pres

sure

(P/P

atm)

(a)

(b)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120

Simulation

Core

Surface

Oven T°C

Time (min)

Tem

pera

ture

(°C)

Fenômeno de exotermia

Duplo pico de pressãodevido 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 comofriabilidade que interessem ao projeto final.

gazeificação

torrefação trituraçao Formulação

Modificaçõesmecanicas Fischer trops

biocombustivel

Biomassa

Obrigado

Condicionamento da Biomassa através do processo de Torrefação para injeção na Gaseificação: aspectos fundamentais

Curitiba, Paraná, Brasil24-26 de junho de 2008

Dr Patrick RoussetCirad