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UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO
Utilização da biomassa: avaliação dos resíduos e utilização
de pellets em caldeiras domésticas
João Jorge Mestre Dias
(Licenciado)
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica
Orientador: Doutor João Luís Toste de Azevedo
Júri: Presidente: Doutor Mário Nery Rodrigues Nina
Professor Associado do Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa
Vogais: Doutor Manuel Arlindo Amador de Matos
Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro
Doutor João Luis Toste de Azevedo
Professor Auxiliar do Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa
DEZEMBRO DE 2002
i
Resumo
Na primeira parte da tese apresenta-se o resultado de um estudo sobre a disponibilidade anual
de resíduos de biomassa em Portugal nos seus sectores principais. Estimou-se que a produção
total de resíduos é 5630 mil toneladas secas/ano e a biomassa produzida sem utilização é 2628
mil toneladas secas/ano, provenientes principalmente da floresta e agricultura.
Na segunda parte da tese apresentam-se os resultados de um estudo realizado numa caldeira
doméstica, utilizando pellets como combustível sob diferentes condições de regime
estacionário e durante a fase de arranque. Foi avaliado o rendimento térmico da caldeira, a
emissão de gases e perdas devido à combustão incompleta. Verificou-se que a concentração
de O2 nos gases de escape varia com a capacidade da caldeira e com a velocidade do
ventilador. A concentração de CO apresentou um valor mínimo para valores de O2, nos gases,
próximo de 13%. As emissões de NOX mostraram-se independentes do excesso de ar para
pellets com baixo teor em azoto, nos restantes casos a variação foi proporcional à
concentração de O2 nos gases. Durante os ensaios de arranque foram observados picos de CO
cerca de 0.9 - 1.7%, relacionados com valores mínimos para a concentração de O2,
independentemente do tipo de pellets.
Palavras chave: resíduos de biomassa, pellets, emissões, eficiência de caldeiras, combustão
ii
Abstract
In the first part of this thesis the results of a survey study on biomass residues produced in
Portugal per year are presented in its main sectors. The biomass production was estimated in
5630 thousand dry tons/year and the biomass with no utilization in 2628 thousand dry
tons/year, mainly from forestry and agriculture.
In the second part of this thesis the results from an experimental study performed on a
domestic boiler using pellets as fuel, under different steady state conditions and during start-
up, are presented. It was evaluated the boiler-efficiency, the flue gases emissions and losses
due to incomplete combustion. The O2 concentration in the flue gases changed with boiler
load and ventilation due to its regulation scheme. Flue-gas CO showed a minimum for values
of O2 in the flue-gases about 13%. NOX emissions were independent of excess air for low
values of nitrogen in the fuel whereas, for larger values, NOX emissions increased with the O2
present in the combustion products. During boiler start-up, a peak in CO emissions was
observed about 0.9 - 1.7% associated with the maximum combustion intensity, as typified by
the flue-gas O2 concentration and temperature, regardless the pellets type.
Keywords: biomass residues, pellets, emissions, boiler-efficiency, combustion
iii
Agradecimentos
Em primeiro lugar agradeço ao meu orientador Professor Dr. João Luís Toste de Azevedo
pelo incansável apoio prestado ao longo do trabalho
Ao Professor Dr. Mário Costa pelo apoio prestado na orientação de parte do trabalho
desenvolvido e na preparação de um artigo sobre os ensaios na caldeira
Ao Sr. Luís Mascarenhas da firma TEPAL pelo fornecimento da caldeira e combustível,
essencial para este estudo
Ao Eng. Pedro Figueiral (ADENE) e Eng.ª Susana Sobral (ARECBA) pelo apoio e
aconselhamento
Ao Professor Doutor Raul Bruno de Sousa pela grande ajuda e apoio
Aos colegas da Área Departamental de Ciência e Tecnologia dos Alimentos da Escola
Superior Agrária de Beja, em especial ao Professor Dr. João Canada, Dr.ª Silvina Ferro
Palma, Dr. Bartolomeu Alvarenga e Eng.ª Maria João Alves
Ao Eng. Nunes Ribeiro, à Dr.ª Helena Monteiro e à Lena pelo apoio na realização de análises
e disponibilização das instalações
À Caetana, Maria, Manuela, Fernanda e Célia pela sua colaboração
Aos colegas do mestrado Ronne Toledo, Pedro Grosmann, João Cunha e Luis Silva
Aos colegas do LASIQ, em especial ao Eng. Ulisses Fernandes e ao técnico Manuel Pratas
À minha família por todo o apoio e compreensão
ÍNDICE DE CONTEÚDOS
Página
Resumo........................................................................................................................................ i Abstract ...................................................................................................................................... ii Agradecimentos.........................................................................................................................iii
1 – Introdução ............................................................................................................................ 1 1.1 – Motivação do trabalho................................................................................................... 1 1.2 – Avaliação dos resíduos de biomassa em Portugal continental ...................................... 4 1.3 – Características da biomassa densificada ....................................................................... 9 1.4 – Testes em caldeiras...................................................................................................... 12 1.5 – Combustão da madeira ................................................................................................ 15
1.5.1 – Características da biomassa.................................................................................. 15 1.5.2 – Ignição e propagação............................................................................................ 18 1.5.3 - Pirólise .................................................................................................................. 20 1.5.4 – Combustão do resíduo carbonoso ........................................................................ 22 1.5.5 - Poluentes ............................................................................................................... 23 1.5.6 - Depósitos............................................................................................................... 24
1.6 - Estrutura da tese........................................................................................................... 26 2 – Avaliação dos resíduos de biomassa em Portugal continental.......................................... 28
2.1 - Avaliação dos resíduos florestais................................................................................. 28 2.2 – Avaliação dos resíduos da indústria de transformação da madeira e cortiça .............. 33
2.2.1 - Estimativa dos resíduos florestais a partir do consumo de madeira ..................... 37 2.3 – Avaliação dos resíduos da agricultura......................................................................... 40 2.4 – Avaliação dos resíduos da agro-indústria.................................................................... 45 2.5 – Avaliação dos resíduos com possibilidade de queima ................................................ 49
3 – Metodologia dos ensaios na caldeira................................................................................. 53 3.1 - Descrição da caldeira utilizada .................................................................................... 53 3.2 – Descrição da instrumentação utilizada........................................................................ 55 3.3 – Metodologia dos ensaios ............................................................................................. 59 3.4 – Pellets utilizadas.......................................................................................................... 64 3.5 – Transferência de energia na caldeira........................................................................... 67
4 – Resultados obtidos na caldeira .......................................................................................... 72 4.1 – Ensaios em regime estacionário .................................................................................. 72
4.1.1 – Rendimento térmico da caldeira........................................................................... 72 4.1.2 – Perdas na caldeira................................................................................................. 74 4.1.3 – Emissões da caldeira ............................................................................................ 77 4.1.4 – Análise da transferência de calor na caldeira ....................................................... 80
4.2 – Ensaios de arranque da caldeira .................................................................................. 82 4.2.1 - Propagação da combustão no leito........................................................................ 82 4.2.2 – Evolução da temperatura dos gases de exaustão.................................................. 85 4.2.3 – Evolução das espécies químicas........................................................................... 88
5 – Conclusões ......................................................................................................................... 91 6 – Trabalhos futuros ............................................................................................................... 94 7 - Bibliografia ......................................................................................................................... 96
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1: Distribuição das principais espécies florestais em Portugal continental. ................... 5 Figura 2: Destino dos resíduos da indústria da madeira............................................................. 7 Figura 3: Evolução da massa duma partícula de biomassa durante a combustão .................... 19 Figura 4: Processo de pirólise da biomassa.............................................................................. 21 Figura 5: Secção de uma partícula em combustão ................................................................... 21 Figura 6: Disponibilidade dos resíduos de biomassa ao longo do ano..................................... 51 Figura 7: Caldeira ECOAGUA ................................................................................................ 53 Figura 8: Pellets utilizadas ....................................................................................................... 54 Figura 9: Tegão de abastecimento............................................................................................ 54 Figura 10: Esquema da caldeira ECOAGUA........................................................................... 54 Figura 11: Representação esquemática da instalação .............................................................. 56 Figura 12: Analisador dos gases de exaustão........................................................................... 58 Figura 13: Computador e data logger ...................................................................................... 58 Figura 14: Esquema simplificado da caldeira .......................................................................... 67 Figura 15: Representação das trocas radiativas entre as superfícies da caldeira ..................... 68 Figura 16: Correlação entre o circuito da caldeira e o da água de refrigeração....................... 72 Figura 17: Potência térmica da caldeira ................................................................................... 73 Figura 18: Temperatura dos gases em função da potência fornecida ...................................... 74 Figura 19: Perda de energia nos gases de exaustão.................................................................. 75 Figura 20: Concentração de O2 nos gases de exaustão ............................................................ 77 Figura 21: Emissões normalizadas de CO em função do oxigénio.......................................... 78 Figura 22: Emissões normalizadas de NOX em função do oxigénio........................................ 78 Figura 23: Temperatura da extremidade direita do leito de combustão, durante o arranque ... 83 Figura 24: Temperatura da extremidade esquerda do leito de combustão, durante o arranque83 Figura 25: Temperatura dos gases no lado esquerdo da câmara, durante o arranque .............. 86 Figura 26: Temperatura dos gases no centro da câmara, durante o arranque .......................... 86 Figura 27: Temperatura dos gases no lado direito da câmara, durante o arranque .................. 86 Figura 28: Concentração de CO, durante o arranque ............................................................... 88 Figura 29: Concentração de O2, durante o arranque ................................................................ 89 Figura 30: Concentração de NOX, durante o arranque............................................................. 89
ÍNDICE DE TABELAS
Página
Tabela 1: Superfície dos povoamentos puros e mistos dominantes ........................................... 5 Tabela 2: Estimativa de Barreto (1980) para os resíduos florestais ........................................... 6 Tabela 3: Resíduos florestais estimados para Portugal .............................................................. 8 Tabela 4: Expressões utilizadas em estudos de avaliação de resíduos de biomassa .................. 8 Tabela 5: Comparação entre as pellets e as briquetes .............................................................. 11 Tabela 6: Valores limite de alguns parâmetros do fabrico de pellets e briquetes .................... 12 Tabela 7: Emissões de diferentes sistemas domésticos de aquecimento ................................. 13 Tabela 8: Normas da avaliação do desempenho de pequenas caldeiras de biomassa.............. 14 Tabela 9: Estimativas do poder calorífico da biomassa ........................................................... 17 Tabela 10: Principais fontes de emissões poluentes da combustão da biomassa..................... 24 Tabela 11: Densidade e estimativa de resíduos por área e ano ................................................ 31 Tabela 12: Resíduos anuais estimados, por espécie................................................................. 32 Tabela 13: Consumo de matéria-prima na indústria transformadora da madeira .................... 34 Tabela 14: Consumo de matéria-prima na indústria da pasta do papel.................................... 35 Tabela 15: Origem da matéria-prima adquirida pela indústria da pasta do papel.................... 35 Tabela 16: Consumo de cortiça pela indústria transformadora................................................ 36 Tabela 17: Resíduos da indústria de transformação da madeira e cortiça ............................... 36 Tabela 18: Estimativa dos resíduos florestais segundo diferentes métodos............................. 39 Tabela 19: Características dos principais resíduos agrícolas herbáceos .................................. 41 Tabela 20: Resíduos das culturas temporárias ......................................................................... 42 Tabela 21: Características das podas das culturas permanentes .............................................. 43 Tabela 22: Resíduos das culturas permanentes ........................................................................ 44 Tabela 23: Resíduos da agro-indústria ..................................................................................... 48 Tabela 24: Disponibilidade de resíduos de biomassa para combustão .................................... 50 Tabela 25: Identificação dos termopares.................................................................................. 57 Tabela 26: Análise numérica das grandezas medidas .............................................................. 61 Tabela 27: Valores médios e incertezas das potências calculadas ........................................... 64 Tabela 28: Características das pellets....................................................................................... 66 Tabela 29: Propriedades das diferentes superfícies da caldeira ............................................... 68 Tabela 30: Factores de forma ................................................................................................... 69 Tabela 31: Desvio padrão e estimativa da incerteza ................................................................ 73 Tabela 32: Dados referentes à combustão incompleta ............................................................. 75 Tabela 33: Conversão do azoto em NOX.................................................................................. 79 Tabela 34: Temperatura dos produtos de combustão no interior da caldeira........................... 80 Tabela 35: Transferência de energia na caldeira...................................................................... 81 Tabela 36: Temperatura no leito de combustão, durante o arranque ....................................... 84 Tabela 37: Temperatura no interior da câmara de combustão, durante o arranque ................. 87
NOMENCLATURA
A Área, m2
At Altura total, m C Carbono cp Calor específico a pressão constante, kJ/(kg.K) DAP Diâmetro à altura do peito medido 1.30m acima do solo, cm E Erro da variável Cd Cádmio CF Carbono fixo Cl Cloro Cr Crómio Cu Cobre G Radiação incidente, W/m2 J Radiosidade, W/m2
h Entalpia específica, kJ/kg H Hidrogénio HC Hidrocarbonetos Hg Mercúrio k Condutividade térmica, W/(m.K) m& Caudal mássico, kg/s ou kg/h N Azoto Nu Número de Nusselt Nm3 Metro cúbico normal O Oxigénio Pb Chumbo PCI Poder Calorífico Inferior, kJ/kg ou MJ/kg PCS Poder Calorífico Superior, kJ/kg ou MJ/kg Pr Número de Prandtl R Constante universal dos gases ideais, kJ/(kmol.K) Re Número de Reynolds S Enxofre T Temperatura, ºC ou K t Tempo, s tep Tonelada equivalente de petróleo ton. Tonelada X Fracção mássica Zn Zinco Letras gregas α Difusividade térmica, m2/s ε Emissividade εVH Coeficiente de variação volumétrica da madeira, com humidade H, % ρ Massa específica, kg/m3 ρΗ Massa específica da madeira em base húmida com humidade H, kg/m3 σ Constante de Stefan-Boltzmann, W/(m2.K4)
Índices ar Base húmida (do inglês as received) daf Matéria seca, isenta de cinzas (do inglês dry ash free) db Base seca (do inglês dry basis) e Eléctrico th Térmico
SIGLAS UTILIZADAS
ASTM American Society of Testing and Materials CBE Centro da Biomassa para a Energia DGE Direcção-Geral de Energia DGF Direcção-Geral das Florestas DIN Deutsches Institut für Normung EN European Standard IFN Inventário Florestal Nacional ÖNORM Österreichisches Normungsinstitut SS Swedish Standard TAPPI Technical Association of the Pulp and Paper Industry
1
1 – Introdução
Neste capítulo será feita uma apresentação do tema a ser estudado na presente tese incluindo,
na secção 1.1, a motivação e a sua importância no contexto actual. Este capítulo contém na
secção 1.2 uma revisão bibliográfica relativa à produção e aproveitamento da biomassa em
Portugal, com destaque para o maior recurso disponível, a floresta. Na secção 1.3 apresentam-
se as propriedades típicas e normas associadas à preparação de biomassa densificada. A
secção 1.4 inclui uma revisão bibliográfica sobre alguns estudos realizados relativos ao
desempenho de caldeiras domésticas alimentadas a biomassa, incluindo um resumo sobre
algumas normas europeias. A secção 1.5 inclui um trabalho de revisão bibliográfica relativo
ao processo de combustão da biomassa, de modo a providenciar bases para o
desenvolvimento do trabalho e também analisar problemas associados à combustão de
biomassa. Finalmente na secção 1.6 apresenta-se a estrutura de apresentação dos capítulos
seguintes.
1.1 – Motivação do trabalho
A utilização de fontes renováveis para a produção de energia foi incentivada e fortemente
divulgada na Europa e nos Estados Unidos da América a partir dos finais dos anos setenta.
Neste contexto, a produção de energia a partir de biomassa vegetal constitui uma componente
importante, inicialmente valorizando os resíduos agrícolas, florestais e agro-industriais já
existentes, e posteriormente dando cada vez mais importância à produção de biomassa com
fins energéticos (Pereira, 2001). No que diz respeito à sua classificação, segundo a definição
de Biomassa constante na Directiva 2001/77/EC de 27 de Setembro de 2001, é “a fracção
biodegradável de produtos e resíduos da agricultura (incluindo substâncias vegetais e
animais), da floresta e das indústrias conexas, bem como a fracção biodegradável dos resíduos
industriais e urbanos” (ADENE/INETI, 2001). No entanto, na presente tese foi apenas
realizada a estimativa da produção de resíduos de biomassa na floresta, agricultura, agro-
indústria produtora de resíduos lenhosos e indústrias transformadoras da madeira e cortiça.
O aproveitamento deste recurso deverá constituir uma das prioridades de uma política
energética, sobretudo em sociedades que não dispõem de combustíveis fósseis. Esta opção
fará ainda maior sentido em situações onde o combustível aparece como subproduto dos
2
processos de fabrico (Companhia de Celulose do Caima, 2001), como é o caso de algumas
matérias lenhosas.
Actualmente, em todo o Mundo, milhões de pessoas utilizam a biomassa como fonte de
energia, principalmente nos países em vias de desenvolvimento (Bhattacharya, 2002), no
entanto uma grande parte é utilizada em processos simples, poluidores e ineficazes em termos
energéticos. Dentro da União Europeia, a utilização da biomassa no ano 2000 correspondia a
3% das necessidades energéticas, ou seja, cerca de 45 Mtep. No entanto, tal como firmado no
documento ‘White paper: Energy for the Future: Renewable Sources of Energy’, COM (97)
599, um dos objectivos prioritários é o aumento da utilização desta fonte de energia em mais
90Mtep até 2010 e se tal objectivo for cumprido, a biomassa irá contribuir com cerca de 50%
das fontes de energia renováveis (EC, 2000). Para cumprir esta meta será necessária a
utilização dos resíduos da agricultura, floresta, indústria transformadora da madeira e outros
resíduos, assim como a utilização de culturas energéticas (EC, 1997). Na Europa, a ideia da
utilização da biomassa para fins energéticos teve um grande desenvolvimento, dado que se
conjugava com aspectos então também em discussão acerca da utilização da terra para
produções agrícolas não alimentares e da utilização dos produtos agrícolas excedentários para
fins industriais não alimentares, no quadro de uma política europeia de subsídios à
agricultura. Rapidamente os aspectos relacionados com o ambiente ganharam importância e
muitos estudos iniciaram-se, relacionando o impacto da utilização da biomassa como fonte
combustível no ambiente, quer a nível da produção quer da utilização (Pereira, 2001).
Em Portugal, verificam-se alguns avanços na utilização desta fonte de energia, principalmente
no aquecimento doméstico, apesar de ser utilizada com uma baixa eficiência energética. Em
paralelo continua a ser uma fonte de energia marginal na utilização em larga escala, como em
centrais térmicas e termoeléctricas. Em outros países europeus como a Suécia, Áustria e
Alemanha, a biomassa tem vindo a consolidar-se como alternativa fiável às fontes energéticas
convencionais, sendo já bastante largo o número de aplicações em grandes centrais. Entre as
causas que contribuem para a fraca penetração no nosso mercado encontram-se a sua
imaturidade no mercado da energia, o facto de utilizar tecnologias relativamente novas ou
introduzir problemas de operação nas instalações onde é utilizado em co-combustão (Barroso,
2001).
3
A realização da presente tese, nos dias de hoje, justifica-se pelo facto de actualmente se estar
a despertar para algumas situações que há poucos anos se julgava improvável, como é o
aquecimento global. Este facto levou à realização de conferências a nível global para
discussão do problema, como foi Rio de Janeiro 1992, Quioto 1997 e Joanesburgo 2002.
Simultaneamente, a sociedade tem vindo a ganhar uma maior consciência dos impactos dos
seus actos quotidianos no equilíbrio do ecossistema, verificando-se cada vez mais a opção por
soluções ecológicas. O mercado dos combustíveis não é excepção e em Portugal o ramo dos
sistemas de aquecimento doméstico, individual e colectivo, alimentados a biomassa tem vindo
a ganhar terreno relativamente a outros sistemas. Com a necessidade de modernizar os
sistemas de queima tradicionais alimentados a biomassa, surgiram os combustíveis de
biomassa densificada, como as briquetes/pellets, com a vantagem de permitir o
funcionamento automático do sistema de aquecimento, tal como ocorre com muitos sistemas
alimentados a gasóleo e butano.
Este cenário pode mostrar-se bastante favorável para a economia Portuguesa, uma vez que a
disponibilidade de uma grande quantidade de biomassa, com viabilidade técnica e económica
pode criar oportunidades para a criação de novas indústrias, capazes de explorar e rentabilizar
convenientemente este recurso, como poderia ser o caso do fabrico de combustíveis de
biomassa densificada.
A presente tese tem por objectivo dar um contributo para o desenvolvimento do conhecimento
científico relativo à utilização dos resíduos de biomassa como fonte de energia,
nomeadamente no que diz respeito à avaliação do potencial disponível em Portugal e ao
desempenho energético e ambiental da biomassa densificada durante a combustão em
sistemas domésticos. Relativamente ao primeiro objectivo, é do conhecimento geral que
Portugal é deficitário em combustíveis fósseis, pelo que se torna inevitável a sua importação,
levando a uma dependência externa. No entanto, a situação é inversa nas fontes de energia
renovável, como é o caso da energia solar, eólica e também da produção de biomassa. Na
primeira parte da tese serão apresentados os resultados de um estudo realizado sobre a
produção anual de resíduos de biomassa nos principais sectores da economia, com viabilidade
técnica e económica em combustão, como é o caso de alguns resíduos da floresta, indústria
transformadora da madeira e cortiça, agricultura e agro-indústria.
4
Relativamente ao segundo objectivo, tem-se verificado que a aplicação mais simples e
comum da biomassa como fonte energética é a sua combustão ou co-combustão com
combustíveis fósseis, implementada actualmente com o objectivo de reduzir a emissão de
gases de estufa, já que no caso da biomassa o CO2 emitido não é contabilizado. Na segunda
parte da tese serão apresentados os resultados obtidos no desempenho energético e na emissão
de gases poluentes em ensaios realizados numa caldeira doméstica alimentada a biomassa
densificada (pellets), operando em regime estacionário e durante a fase de arranque. Nestes
ensaios serão testados lotes de pellets de diferentes características, com o objectivo de avaliar
a influência da composição da biomassa no desempenho da combustão.
1.2 – Avaliação dos resíduos de biomassa em Portugal continental
A fileira da biomassa deve ser encarada como uma área estratégica de interesse nacional que
merece um planeamento global integrado, de forma a garantir o seu devido escoamento,
incluindo os usos para fins energéticos, numa posição de são equilíbrio entre a oferta e a
procura deste tipo de resíduos (ADENE/INETI, 2001).
Em Portugal, a principal fonte de biomassa é, sem dúvida, a floresta a qual representa um
terço da área total do País, constituindo desta forma um importante recurso que deverá ser
avaliado no sentido de se obter um conveniente aproveitamento dos resíduos aí produzidos.
De acordo com a terceira revisão do Inventário Florestal Nacional (DGF, 2001), a área
ocupada por povoamentos florestais em Portugal continental corresponde a cerca de 3202 mil
hectares (tabela 1), onde o pinheiro bravo e pinheiro manso apresentam-se como as espécies
mais abundantes (1054 mil ha), seguidos do sobreiro (713 mil ha), do eucalipto (672 mil ha) e
da azinheira (462 mil ha). Geograficamente, a região com maior área florestada é o Alentejo
(1136 mil ha), seguido da região Centro (948 mil ha), Norte (604 mil ha), Lisboa e Vale do
Tejo (416 mil ha) e Algarve (98 mil ha).
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Tabela 1: Superfície dos povoamentos puros e mistos dominantes (em mil ha)
Pinheiro1 Eucalipto Sobreiro Azinheira Outras folhosas
Outras resinosas
TOTAL
Norte 246 143 21 20 152 21 604
Centro 571 227 28 32 86 4 948
Lisboa e Vale do Tejo
110 143 140 3 19 1 416
Alentejo 112 131 484 398 11 0.3 1136
Algarve 15 29 40 9 6 0 98
TOTAL 1054 672 713 462 274 27 3202
Fonte: DGF (2001) 1 Inclui pinheiro bravo e pinheiro manso
Figura 1: Distribuição das principais espécies florestais em Portugal continental
Fonte: DGF (2001)
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A figura 1 apresenta a distribuição das principais espécies em Portugal continental, onde é
possível observar mais claramente a distribuição dos povoamentos florestais, verificando-se
que a grande mancha de pinheiro encontra-se na região central do País, enquanto que a região
a sul do Tejo é essencialmente povoada por azinheiras e sobreiros. Os dados disponíveis sobre
a floresta nas regiões autónomas são bastante incompletos e apenas estão disponíveis valores
das áreas totais, correspondendo a 9200 ha nos Açores e 1700 ha na Madeira (INE, 2001b),
que correspondem a pequenas fracções de ocupação do solo.
Um estudo realizado em 1980 (Barreto, 1980) estima em 2094 mil toneladas a disponibilidade
anual de resíduos florestais, prevendo-se na altura um crescimento gradual para os anos
subsequentes, tal como se pode verificar na tabela 2.
Tabela 2: Estimativa de Barreto (1980) para os resíduos florestais
Ano 1980 1985* 1990* Pinheiro
Resíduos (mil ton./ano) 1560 1617 1732
Ano 1978 1979 – 83* 1984 – 89* Eucalipto
Resíduos (mil ton./ano) 534 854 1190
Fonte: Barreto (1980), * valor previsto
O uso de resíduos florestais como fonte energética apresenta-se não só como um importante
meio para cumprir as metas delineadas em Quioto (EC, 1997), como também para o
ordenamento e gestão da floresta portuguesa, essencial para a diminuição dos incêndios
florestais. De facto, na última década (DGF, 2002) os incêndios consumiram cerca de 107 mil
ha/ano, representando 3% da área florestal total, ou seja, o correspondente a uma perda de 400
mil toneladas de biomassa por ano. Os incêndios têm afectado principalmente os pinhais, os
quais viram a sua área reduzida de 1250 para 1053 mil ha entre 1982 e 1995, enquanto que a
área de eucalipto aumentou de 386 para 673 mil ha no mesmo período (Morais, 2002). Em
1995 apenas 80 mil ha de pinhal tinham menos de 8 anos, enquanto que a área de eucaliptal
com menos de 7 anos era de 367 mil ha. No nosso País, estas duas espécies florestais
adquirem uma grande importância, uma vez que o eucalipto é a principal matéria-prima da
indústria da pasta do papel, apresentando um crescimento mais rápido, enquanto que o
pinheiro bravo é a principal espécie florestal consumida pela indústria da serração e do
mobiliário (INE, 1998 a 2001b).
7
De acordo com Arthur D. Little (1985), em 1985 foram produzidas 2462 mil toneladas verdes
de resíduos na indústria da madeira, as quais tiveram a utilização sintetizada na figura 2.
Figura 2: Destino dos resíduos da indústria da madeira
Fonte: Arthur D. Little (1985)
Relativamente à aplicação dos resíduos como fonte de energia, tradicionalmente são
utilizados por pequenas industrias locais, tais como a da cerâmica e a panificação, no entanto
recentemente têm sido desenvolvidas tecnologias no sentido de os utilizar em processos em
média escala. Como exemplo, em Portugal encontra-se uma instalação equipada com um
gaseificador de leito fluidizado, com capacidade útil de 10.4 MWth, utilizando a casca de
pinheiro resultante do processo de fabrico de pasta de papel (Antunes, 1998). Por outro lado,
algumas indústrias da cortiça estão a utilizar o pó de cortiça resultante do processo de fabrico
na produção de energia.
Em outras indústrias da madeira, de menor dimensão, tais como as serrações e as carpintarias,
a recolha de informação relativa ao consumo de biomassa é mais difícil, devido ao grande
número de empresas envolvidas (mais de mil empresas). Em 1999, com base nos 557
estabelecimentos industriais da CAE 20 - Indústrias da madeira e da cortiça e suas obras
(excepto mobiliário), que remeteram os mapas de resíduos ao Instituto dos Resíduos, foram
declaradas cerca 1086 mil toneladas de resíduos, das quais 15% não eram valorizadas
(ADENE/INETI, 2001).
O estudo realizado pela Arthur D. Little (1985) para a Direcção Geral de Energia teve como
objectivo projectar a instalação de uma central de resíduos de biomassa em Portugal, sendo
esta informação actualizada posteriormente pelo Centro da Biomassa para a Energia (CBE,
Produção de resíduos: 2462 mil ton./ano
Utilizadas como fonte de calor: 1340 mil ton./ano Ex: indústria da cerâmica, panificação
Utilizados como matéria-prima: 900 mil ton./ano Ex: fabrico de prensados
Sem aproveitamento: 222 mil ton./ano
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1993), com os resultados sintetizados na tabela 3, onde é claramente visível que o maior
contributo provém dos resíduos de pinheiro, de eucalipto e de sobreiro. Os resíduos de outras
espécies foram estimados em cerca de 200 mil ton. secas/ano.
Tabela 3: Resíduos florestais estimados para Portugal (mil ton./ano)
Espécies Fonte Ano Base húmida Base seca
AD Little1 1985 1217 513 Pinheiro
CBE2 1993 1400 594
AD Little1 1985 908 403 Eucalipto
CBE2 1993 1543 645
Sobreiro AD Little1 1985 896 650
Outros AD Little1 1985 297 197 1 Fonte: Arthur D. Little (1985) 2 Fonte: CBE (1993)
A tabela 4 resume as expressões que estiveram na base das estimativas dos resíduos florestais
realizadas pela Arthur D. Little (1985) e pelo CBE (1993), tendo neste último sido utilizadas
as correlações obtidas por Silva et al. (1991):
Tabela 4: Expressões utilizadas em estudos de avaliação de resíduos de biomassa
Espécies Peso verde total dos topos e ramos (kg/árvore)
Humidade (%)
Referências
Pinheiro bravo
Todo o País: 0.656DAP2.364AT-0.977 57.9 Arthur D. Little (1985)
Eucalipto Norte - Centro: 8.54 – 1.537DAP + 0.163DAP2 Sul: 7.615 + 0.102DAP2
55.6 Arthur D. Little (1985)
Pinheiro bravo
Todo o País: 0.463DAP1.604 57.6 Silva et al. (1991)
Eucalipto Todo o País: 0.1785DAP1.756 52.6 Silva et al. (1991)
Nota: onde DAP é o diâmetro à altura do peito e AT é a altura total média
Os trabalhos de campo realizados por Arthur D. Little (1985) mostraram que a idade média
dos povoamentos de pinheiro bravo era 39 anos, com uma altura total média de 14.30m e
DAP médio de 21.4cm. Com base neste modelo, os resíduos por árvore estimados para o caso
9
do pinheiro é de 67.7 kg verdes/árvore, produzindo assim 67.7kg verdes/39 anos = 1.7 kg
verdes/árvore/ano. Para o eucalipto, os resultados do trabalho de campo mostraram que o
DAP médio era 13.4cm ao fim de 10 anos. Os valores estimados para a zona Norte - Centro e
para a zona Sul são diferentes, correspondendo a 1.7 e 2.6 kg verdes/árvore/ano,
respectivamente. Com base nas correlações de Silva et al. (1991) os valores dos resíduos
correspondem para o pinheiro e eucalipto a 1.6 e 2.4 kg verdes/árvore/ano, respectivamente.
Tendo em conta as áreas florestais disponíveis na altura da realização de cada um dos
trabalhos verificou-se a produção média de resíduos de pinheiro bravo apresentou valores
entre 0.4 e 0.6 ton. secas/ha/ano. Por outro lado, a estimativa dos resíduos de eucalipto
apresentou valores entre 1.5 e 2.0 ton. secas/ano/ha. Em ambos os casos, são superiores os
valores obtidos na estimativa realizada pelo CBE (1993).
Uma das consequências destes estudos foi a selecção do local para a instalação da central
termoeléctrica de Mortágua em 1999, alimentada apenas a biomassa e com uma capacidade
instalada de 9MWe. A sua eficiência é cerca de 26.5%, usando uma caldeira de circulação
natural com barrilete de vapor. A fornalha foi desenhada tendo em consideração a combustão
de resíduos florestais, estando dotada de grelha vibratória arrefecida a água (Patrão, 1998).
Recentemente, foi necessário proceder a algumas modificações, nomeadamente na
alimentação de biomassa e no sistema de remoção de cinzas. Esta central, pioneira em
Portugal no aproveitamento energético de resíduos florestais, apresenta um consumo de
biomassa em plena carga de 12.2 ton./h e está dimensionada para laborar 7800 horas/ano
(Barroso, 2001).
1.3 – Características da biomassa densificada
Os resíduos de biomassa são produzidos localmente e têm geralmente baixa densidade, a
título de exemplo, a palha apresenta uma densidade aparente de 50-120 kg/m3 e a casca de
arroz cerca de 122 kg/m3, valores muito inferiores aos do carvão, onde variam desde 560
kg/m3 a 900 kg/m3 (Werther et al., 2000). Devido aos elevados custos de transporte é, na
generalidade dos casos, pouco económico a sua utilização como principal fonte de energia em
grandes centrais termoeléctricas. Por outro lado, a sua utilização em pequenas centrais locais
tem a desvantagem dos elevados custos de investimento, uma quantidade elevada de mão-de-
obra especializada e baixa eficiência, quando comparado com as grandes centrais.
10
Uma das formas de melhorar a qualidade da biomassa na combustão é a densificação
(Werther et al., 2000), o que irá melhorar a sua homogeneidade, tornando-se mais fácil e
económico o seu transporte (Kanury, 1994). Com o objectivo de minimizar os custos de
transporte, opta-se por utilizar biomassa densificada ou, em alguns casos, misturando a
biomassa com um combustível fóssil como por exemplo turfa, sob a forma de pellets ou
briquetes.
Embora a combustão do material lenhoso seja vastamente estudada, o processo de combustão
de material densificado é um processo novo e a sua caracterização como combustível ainda
não está completamente desenvolvida (Tabarés et al., 2000). Algumas das principais
vantagens da biomassa densificada são (Werther et al., 2000):
� Taxa de combustão comparável à do carvão
� Combustão mais uniforme
� Redução da emissão de partículas
� Melhoria das condições de armazenamento, transporte e alimentação
As técnicas de densificação geralmente utilizadas são a produção de briquetes e pellets, uma
vez que a produção de fardos é uma técnica simples destinada, essencialmente, à preparação
da biomassa para alimentação de animais. As briquetes ou pellets requerem um processo mais
avançado e caro, sendo apenas aplicável em situações economicamente rentáveis. O objectivo
destas técnicas é elevar a massa específica aparente da biomassa em muitos casos, 5 a 10
vezes superior ao material de origem (Werther et al., 2000). Quando comparado com as
briquetes, as pellets apresentam algumas vantagens (tabela 5), incluindo maior compactação e
aceitação de material com maior gama de humidade.
Verifica-se que a utilização de biomassa densificada sob a forma de briquetes está mais
difundida nos países em desenvolvimento, substituindo em alguns casos a lenha no fabrico do
carvão vegetal. Por outro lado, a utilização de pellets está mais difundida nos países
desenvolvidos, mais indicado para equipamentos com alimentação automática (Bhattacharya,
2002).
11
Tabela 5: Comparação entre as pellets e as briquetes
Combustível Pellets Briquetes
Humidade da biomassa de origem
10 a 20% 10 a 15%
Capacidade máxima de produção
4 a 6 ton./h 1 – 1.5 ton./h
Consumo energético (corte e prensagem)
80 a 90 kWh/ton. 40 a 50 kWh/ton.
Preparação da biomassa Trituração em pequenas partículas
Trituração em partículas maiores
Dimensões do produto final
Diâmetro 6-12mm Comprimento10-30mm
Largura 20-100mm Comprimento 30-300mm2
Sistemas de combustão Automatizados Podem ser usadas em instalações para toros
Matéria-prima Serradura, desperdícios de madeira e resíduos
agrícolas1
Serradura, desperdícios de madeira e resíduos
agrícolas1
Fonte: Werther et al. (2000) 1 Especialmente nos países em desenvolvimento (Bhattacharya, 2002) 2 Fonte: Baldini (1987)
Na utilização de biomassa densificada em sistemas domésticos automáticos é necessário obter
altos padrões de qualidade, pelo que em alguns países europeus já se encontra em vigor a
aplicação de algumas normas que regulamentam a produção deste tipo de combustível,
enquanto que noutros ainda se encontram em preparação. No entanto, considerou-se que estes
altos padrões de qualidade a exigir na utilização em pequenos equipamentos não são
aplicáveis para os equipamentos industriais, uma vez que estes se encontram equipados com
sistemas mais sofisticados para o controlo da combustão, tratamento dos gases e controlo do
processo (Obernberger and Thek, 2002).
Actualmente em alguns países europeus, onde a utilização de biomassa densificada em
aplicações domésticas está mais divulgada, já estão em vigor normas que regulamentam os
critérios de qualidade a exigir ao combustível. A tabela 6 apresenta o resumo das
especificações físico-químicas a cumprir pelas pellets e briquetes de biomassa,
regulamentadas pelas normais vigentes mais relevantes, nomeadamente a ÖNORM M 7135
(Áustria), DIN 51731 (Alemanha), SN 166000 (Suiça), SS 18 71 20 (Suécia) e normas da
Austrian Pellets Association.
12
Tabela 6: Valores limite de alguns parâmetros do fabrico de pellets e briquetes
Parâmetro Unidade Pellets de madeira
Briquetes de madeira
Pellets de palha e briquetes de casca4
Diâmetro (D) mm 4 – 101 40 – 1201 -
Comprimento mm < 5 x D1,4 < 4001 < 4001
Densidade aparente kg/dm3 > 6003 - -
Densidade da partícula
kg/dm3 > 1.121 > 1.01 > 1.101
Humidade % (ar) < 101, 3, 4 < 101 < 181
Cinzas % (db) < 0.51, 4 < 0.51 < 6.01
PCI MJ/kg (db) > 18.01, 4 > 18.01 > 18.01
N % (db) < 0.31, 2 < 0.31, 2 < 0.61
S mg/kg (db) < 4001, 4 < 4001 < 8001
Cl mg/kg (db) < 2001, 4 < 2001 < 4001
Abrasividade % (ar) < 2.31, 4 - -
Cd mg/kg (db) < 0.52, 4 < 0.52 < 0.52
Pb mg/kg (db) < 102, 4 < 102 < 102
Zn mg/kg (db) < 1002, 4 < 1002 < 1002
Cr mg/kg (db) < 82, 4 < 82 < 82
Cu mg/kg (db) < 52, 4 < 52 < 52
Fonte: Obernberger and Thek (2002) Nota: ar - as received (base húmida), db – dry base (base seca)
1 de acordo com a norma ÖNORM M 7135; 2 de acordo com a norma DIN 51731 e SN 166000 (não é válida para casca, apenas para comparação); 3 de acordo com a norma SS 18 71 20; 4 de acordo com as normas da Austrian Pellets Association
1.4 – Testes em caldeiras
A eficiência da combustão, a par das emissões gasosas, é um dos principais parâmetros para
descrever o desempenho das caldeiras alimentadas a biomassa. Num estudo realizado sobre a
utilização de sistemas domésticos de queima alimentados a biomassa, numa região da
Alemanha (Strehler, 1998), verificou-se que os mais comuns eram os recuperadores de calor
(88%), caldeiras alimentadas a troncos de madeira (11%) e fornalhas alimentadas a estilha de
madeira (1%), tendo sido comercializadas mais de 197000 unidades em 1994. Verificou-se
que os valores mais elevados nas emissões de CO foram observados nos sistemas tradicionais
(recuperadores de calor e lareiras), com valores entre 2 e 5 g CO/Nm3 @ 13% O2, enquanto
13
que os valores mais baixos foram observados nos recuperadores de calor alimentados a pellets
com valores próximos de 0.07 g CO/Nm3 @ 13% O2.
Olsson and Kjallstrand (2002) realizaram alguns ensaios nas emissões de várias caldeiras e
recuperadores de calor, durante a combustão de alguns tipos de pellets, concluindo que os
principais hidrocarbonetos não queimados libertados consistiam no 2-metoxifenol e no
benzeno. Enquanto que o primeiro composto é libertado durante a fase de combustão com
chama, apresentando efeitos antioxidantes e com benefício para a saúde, o segundo é libertado
durante a combustão incandescente do resíduo carbonoso, apresentando efeitos cancerígenos.
Num estudo comparativo, realizado na Suécia, verificou-se que os sistemas individuais de
combustão de biomassa apresentam alguns inconvenientes relativamente às centrais
colectivas, apresentando maiores emissões poluentes. Entre estas emissões, encontram-se os
compostos voláteis orgânicos (VOC), os compostos aromáticos policíclicos (PAH) e as
partículas (tabela 7). Verificou-se que as caldeiras tradicionais alimentadas a madeira emitem
uma maior quantidade de hidrocarbonetos e outros poluentes do que outros sistemas de
queima. No entanto, em caldeiras modernas estas emissões decresceram em mais de 90%, o
que é uma melhoria considerável. Verificou-se ainda que a introdução de sistemas
alimentados a pellets apresenta a vantagem de reduzir ainda mais estas emissões (Gustavsson
et al., 2000).
Tabela 7: Emissões de diferentes sistemas domésticos de aquecimento
Sistemas Alcatrões (mg/kWh)
VOC (mg/kWh)
NOX (mg/kWh)1
Partículas (mg/kWh) 2
Alimentados a gás - - 200 -
Alimentados a óleo - 80 200 120
Caldeiras tradicionais alimentadas a madeira
2500 10000 350 1800
Caldeiras modernas alimentadas a madeira
30 300 520 80
Recuperadores de calor modernos alimentados a madeira
50 700 Não realizado
80
Caldeiras alimentadas a pellets 20 160 > 270 1,2 160
Recuperadores de calor alimentados a pellets
20 120 > 270 1,2 160
Fonte: Gustavsson et al. (2000) 1 As emissões de NOX dependem do teor de azoto no combustível 2 Poucos dados disponíveis
14
As emissões de NOX dependem da concentração de azoto na madeira, sendo esse valor
normalmente baixo. Num estudo realizado em combustão de pellets (Eskilsson et al., 2002)
verificou-se que para o teor mais baixo de azoto no combustível obteve-se uma emissão de
NOX correspondente a uma conversão quase completa do azoto do combustível, verificando-
se nesse caso que a contribuição da componente térmica foi cerca de 10%. Ao aumentar a
fracção de azoto nas pellets, verificou-se que a fracção de conversão do azoto da biomassa em
NOX diminuiu.
A nível europeu, verifica-se que os países mais evoluídos em termos de investigação e
controlo ambiental da combustão de biomassa são a Suécia, Alemanha e Áustria, onde
existem actualmente algumas normas em vigor e outras em estudo, relativas ao desempenho
energético e ambiental de instalações alimentadas a biomassa (Kroplin, 1998). Na tabela 8 são
apresentadas algumas das normas propostas e das normas já em vigor:
Tabela 8: Normas da avaliação do desempenho de pequenas caldeiras de biomassa
Nº. Norma Equipamento ηηηη (%)
CO (g/m3)
1 European Standard EN 303/5 (rascunho)
Caldeiras com capacidade 10-300 kW
73 - 82 1 - 4
Caldeiras alimentadas a madeira de 5-50kW
65 - 77 7.5 - 10 2 European Standard TC 295 (em estudo)
Aquecedores com/sem água < 50kW
50 - 70 3.8 – 12.5
3 German Standard DIN 18892 (rascunho)
Aquecedores locais 75 2.5
4 Regensburger model Aplicações individuais < 15kW
- 1.5
5 ZVSHK / AdK1 Equipamentos < 15kW 75 - 85 1.6
Nota: normas 1 a 4 avaliadas à temperatura normal de funcionamento, norma 5 referente a arranque a frio 1 Central Association for Sanitary, Heating and Air-conditioning Technology
Verifica-se que em nenhum caso são aprovados equipamentos com eficiência inferior a 50%,
sendo o valor mais comum 70-80%. Existe igualmente uma grande atenção sobre a emissão
de CO, estando em estudo uma norma europeia, a EN 303/5, que tolera a emissão deste
poluente até um máximo de 4 gCO/Nm3. Todas as normas referidas apresentam valores
limites de emissões para funcionamento em regime estável de carga máxima. Recentemente, a
15
SP Swedish National Testing and Research Institute, definiu um teste mais realista
abrangendo diversos regimes de funcionamento das caldeiras domésticas no período de um
dia completo.
1.5 – Combustão da madeira
1.5.1 – Características da biomassa
Os componentes da biomassa incluem a celulose, hemi-celuloses, lenhina, lípidos, proteínas,
açucares simples, amido, água, hidrocarbonetos, cinzas e outros compostos. A concentração
de cada classe depende da espécie, tipo de tecido, estado de crescimento e condições de
crescimento. A celulose é um hidrato de carbono de cadeia longa não ramificada constituída
por unidades β-D-glucose, celobiose e com ligações glicosídicas 1-4 (Jenkins et al., 1996),
com composição elementar C6H10O5. Tem-se verificado que diferentes tipos de celuloses,
provenientes de diferentes materiais e processos têm praticamente a mesma composição,
sendo em todos os casos muito semelhantes à celulose pura, o que implica que a sua variação
estrutural é desprezável (Sheng and Azevedo, 2001).
As hemi-celuloses são polissacáridos de composição variável, incluindo monossacáridos de 5
e 6 átomos de carbono. A sua estrutura é muito semelhante à da celulose, no entanto, é mais
curta e apresenta mais ramificações (Sheng and Azevedo, 2001). A lenhina é um polímero
irregular, ramificado, de unidades de fenilpropano unidas por ligações carbono-carbono e
ligações éter (Jenkins et al., 1996).
Devido ao facto de ser essencialmente constituída por hidratos de carbono, a biomassa tem
muito mais oxigénio que os combustíveis fósseis convencionais, incluindo o carvão,
correspondendo a cerca de 30 a 45% da matéria seca. Por este motivo, teoricamente, a
combustão da biomassa necessita de menor quantidade de ar (Tabarés et al., 2000). No
entanto, tal como nos combustíveis fósseis, o principal constituinte é o carbono, cerca de 30 a
60% da matéria seca, seguido do oxigénio. O hidrogénio é o terceiro maior componente, com
cerca de 5 a 6% da matéria seca. O azoto, enxofre e cloro encontram-se em quantidades
normalmente inferiores a 1% da matéria seca, sendo no entanto responsáveis pela formação
de emissões poluentes. Um exemplo é o caso do azoto, constituinte da fracção proteica das
plantas e elemento indispensável para o seu crescimento, no entanto é responsável pela
emissão NO e NO2 (Jenkins et al., 1996). Verifica-se que o teor proteico da matéria lenhosa
16
apresenta grandes variações entre espécies diferentes, observando-se a ocorrência de valores
desde 3% (base seca), como é o caso dos cereais, até cerca de 21% (base seca), como é o caso
do bagaço de girassol (McDonald et al., 1981). Em alguns resíduos de biomassa provenientes
da agricultura, como é o caso da palha dos cereais e a casca de arroz, a sílica é o terceiro
maior componente, atingindo teores até 10-15% da matéria seca (Jenkins et al., 1996).
As características que afectam a combustão da biomassa podem dividir-se em dois tipos
principais (Kanury, 1994):
� Termoquímicas: entre as características mais importantes encontram-se a entalpia da
reacção de combustão, a temperatura de combustão, a energia de activação (Tabarés et
al., 2000) e o teor em cinzas. Estas características são influenciadas pelas propriedades
dos combustíveis (análise próxima, teor de humidade, minerais, etc.) e da instalação
de queima;
� Taxa de combustão: este factor afecta tanto o processo de combustão no interior da
partícula como à sua superfície. Certas propriedades, tais como o tamanho da
partícula, condutividade térmica, densidade, calor específico e porosidade são
propriedades físicas que afectam os processos internos. Por outro lado, as
propriedades que afectam os processos à superfície estão essencialmente relacionadas
com a transferência de calor desde o ambiente exterior para a partícula, com a
circulação do ar e com a transferência de massa entre os voláteis e o ar.
De facto, algumas das características que fazem da biomassa um bom combustível são a
facilidade de secagem, elevado poder calorífico, baixa temperatura de ignição, elevado teor
em voláteis (Werther et al., 2000), elevada taxa de combustão (Kanury, 1994) e baixa energia
de activação (Tabarés et al., 2000). Estas propriedades são influenciadas tanto pelas
características do combustível como pelas características da fornalha (Kanury, 1994). Por
outro lado, certas características como a humidade, granulometria, densidade e
heterogeneidade dos materiais lenhosos irão limitar a eficiência da sua combustão (Kanury,
1994). Outro aspecto importante é o facto de ser praticamente impossível obter uma mistura
completamente homogénea entre o combustível e o comburente, sobretudo quanto se entra em
conta com o curto espaço de tempo em que ocorre a mistura (Tabarés et al., 2000). De uma
forma simples, a reacção global de combustão da biomassa com o ar pode ser representada
pela seguinte expressão:
17
298726252423
2222154321 21
791
SOnNOnCOnNnOnOHnCOn
)NO)(e(nOHnSNOHC xxxxx
++++++=
=++++
onde a composição da biomassa é simplificada, sendo representada como um composto
formado por apenas C, H, O, N, S e H2O. Nesta expressão o ar atmosférico é igualmente
simplificado, sendo representado por uma mistura binária de N2 e O2 (na proporção N2/O2 =
3.76), desprezando a participação do CO2, vapor de água e gases raros da atmosfera. Nos
produtos formados na combustão, foi considerada apenas a formação de CO2, H2O (resultante
da evaporação da água e reacção do hidrogénio do combustível), N2, CO, NO e SO2.
A medida padrão do teor energético de um combustível é o seu poder calorífico, o qual
depende da sua composição química, incluindo o teor de humidade, factor limitante da
combustão devido à sua entalpia de evaporação (Jenkins et al., 1996). Alguns dos trabalhos
mais relevantes são apresentados na tabela 9.
Tabela 9: Estimativas do poder calorífico da biomassa
Energia (MJ/kg) Observações
PCIar = 19.2 – 21.64XHum Fonte: Johansson (2001) XHum – Fracção mássica de humidade, em base ar
PCSar = 20.5 - 31.3XHum Fonte: Jiménez and González (1991) XHum – Fracção mássica de humidade, em base ar
PCSdb = 14.119 + 0.196XCF Fonte: Demirbas (1997) XCF - Fracção mássica de carbono fixo, em base db
PCIar = XCF.[168.2 – 376.2XCF - 92.2XHum – - 128.3XCinza + 38.8(XCinza - 2.04)2]
Fonte: Tabarés et al. (2000) XCF e XCinza - Fracções mássicas de carbono fixo e cinzas, em base db XHum - Fracção mássica de humidade, em base ar
PCSdaf = 33.5XC + 142.3XH - 15.4XO - 14.5XN Fonte: Demirbas et al. (1997)
XC, XH, XN, XO - Fracções mássicas de carbono, hidrogénio, azoto e oxigénio, em base daf
PCSdb = 34.91XC + 117.83XH – 10.34XO + + 10.05XS – 1.51XN – 2.11XCinza
Fonte: Loo and Koppejan (2002) XC, XH, XO, XN, XS e XCinza - Fracções mássicas de carbono, hidrogénio, oxigénio, azoto, enxofre e cinza, em base db
PCSdb = 17.389XCelulose + 26.629XLenhina + + 32.187XExtr
Fonte: Tabarés et al. (2000) XCelulose, XLenhina, XExtr - Fracções mássicas de celulose, lenhina e extractáveis em álcool-benzeno, em base db
18
Verifica-se que os resíduos de biomassa apresentam valores muito diferentes de humidade,
enquanto que por exemplo as palhas dos cereais apresentam baixos valores de humidade
(~14%), existem outros como o bagaço de azeitona e outros resíduos da agro-indústria com
valores cerca de 40-80% de humidade (Dias and Azevedo, 2001). Em alguns estudos
realizados, sintetizados na tabela 9, verificou-se que a energia libertada na combustão da
biomassa apresenta uma relação muito estreita com a análise elementar (carbono, hidrogénio,
azoto e enxofre), análise imediata (cinzas, voláteis e humidade) e com os constituintes
lenhosos (celulose, hemi-celulose e lenhina), permitindo realizar estimativas a partir da
composição química conhecida.
O processo de combustão da biomassa é um pouco mais complexo que outros combustíveis
(ex. metano, gasolina, etc.), uma vez que o combustível apresenta uma composição físico-
química complexa (Tabarés et al., 2000) e muito variável entre espécies diferentes.
1.5.2 – Ignição e propagação
A combustão da biomassa pode ser caracterizada de uma forma simplificada, considerando
que a partícula está a uma temperatura inicial Tinicial, com massa específica ρ0 e que a dado
instante é fornecido um fluxo de energia (q’’incidente) através do aparecimento de chama ou
através de uma fonte externa. Nesta situação, as primeiras etapas de aquecimento apenas irão
afectar as camadas adjacentes à superfície exposta e quando a superfície atinge uma
temperatura suficientemente elevada, a pirólise inicia-se a uma taxa significativa, com difusão
dos voláteis até à superfície, misturando-se com o ar. Assumindo que a ignição ocorre a uma
temperatura Tignição1, o cálculo do tempo necessário à ignição, tig, desde uma temperatura
inicial (Tinicial) pode ser estimado pela equação 1 (Kanury, 1994):
( ) 2
2
−=
''incidente
inicialignição
igq
TTkt
απ
(1)
Através da expressão, verifica-se que um maior fluxo de energia leva a que a ignição ocorra
num menor espaço de tempo, efeito semelhante ao de um maior valor da temperatura inicial
mas, por outro lado, é linearmente proporcional à capacidade térmica (mcp) e à condutividade
1 Cerca de 500-600ºC na biomassa (Werther et al., 2000)
19
térmica (k) (Kanury, 1994). Após a ignição, o fluxo de energia da superfície resulta da soma
da energia externa incidente (q’’incidente) e da energia fornecida pela chama (convecção e
radiação) menos as perdas da superfície por radiação (Spearpoint and Quintiere, 2000), tal
como descrito pela equação 2:
)Tσ(Tqqq 40
4superfície
''chama
''incidente
'' −−+= &&& (2)
Na primeira fase a seguir à ignição, a superfície da partícula vai sofrer um aumento de
temperatura e à medida que a temperatura da câmara aumenta, a superfície externa da
partícula recebe energia, por convecção, devido à passagem do ar quente (Ouedraogo et al.,
1998). Seguidamente, no interior da partícula a temperatura aumenta devido à transmissão de
energia, por condução, a partir da superfície externa mais quente, verificando-se a migração
simultânea da humidade no sentido oposto. A secagem ocorre a temperaturas cerca de 50-
150ºC (Werther et al., 2000), no entanto, verifica-se na generalidade dos casos que esta é
superior à temperatura do início da pirólise, o que significa que pelo menos parcialmente as
duas etapas processam-se simultaneamente (figura 3) (Saastamoinen, 1996), especialmente
para o caso de partículas de grandes dimensões.
Figura 3: Evolução da massa duma partícula de biomassa durante a combustão
Secagem, pirólise e combustão com chama
m0 (ρ0)
mc (ρc)
mf (ρf)
tc tf tempo, t
massa, m
Cinzas
Ignição
Combustão do carvão
tig
Fonte: Kanury (1994)
Tem-se verificado que valores muito elevados de humidade podem levar a dificuldades na
ignição, à limitação da libertação de voláteis, ao aumento na formação de CO (Jenkins et al.,
20
1996) e à redução da temperatura da combustão, afectando assim a qualidade da combustão
(Werther et al., 2000). O limite máximo de humidade para que a reacção de combustão se
processe autonomamente é cerca de 65%, uma vez que acima deste valor é libertada uma
quantidade insuficiente de energia para satisfazer as necessidades do aquecimento dos
reagentes e da evaporação da água. De um modo geral verifica-se que é necessária uma fonte
de combustível extra, como o gás natural, quando a humidade da biomassa é superior a 50-
55% (base húmida), verificando-se uma emissão muito maior de CO e outros produtos de
combustão incompleta (Jenkins et al., 1996).
Quando a temperatura da biomassa é suficientemente elevada, cerca de 190-300ºC (Werther
et al., 2000), inicia-se o processo de pirólise, originando a libertação dos voláteis em direcção
ao exterior da partícula através da camada do resíduo carbonoso. A combustão dos voláteis no
exterior da partícula com formação de chama irá fornecer a energia suficiente para que o
processo de pirólise continue (Kanury, 1994), não sendo necessário o contributo do elemento
ignitor.
1.5.3 - Pirólise
Este processo inicia-se com a quebra de ligações químicas dos principais componentes da
matéria seca da biomassa (celulose, hemi-celulose e lenhina), formando pontes intermediárias
activas (biomassa activa). Em estudos realizados sobre o processo de pirólise da madeira
verificou-se que a hemi-celulose é o primeiro componente a ser alterado (a 200-260ºC),
seguido da celulose (a 240-350ºC) e, finalmente, a lenhina (a 280-500ºC) (Roberts, 1970). A
taxa a que ocorre o processo é dependente da massa específica da biomassa original (ρw) e da
constante da reacção (k1), segundo uma evolução semelhante à da equação 3.
ww kt
ρρ1−=
∂∂
(3)
A figura 4 representa um dos modelos existentes do processo de pirólise. Tal como referido, o
processo inicia-se com a conversão da biomassa original em biomassa activa, através da
formação de pontes reactivas as quais irão consequentemente reagir, levando à libertação de
asfaltos condensáveis, gases e energia, permanecendo uma fracção rica em minerais e
21
carbono, designado resíduo carbonoso. A figura 4 representa um dos modelos existentes para
o processo em causa.
Figura 4: Processo de pirólise da biomassa
Fonte: Biasi (1997)
A figura 5 apresenta a secção de uma partícula durante o processo de pirólise, sendo neste
caso representado por um núcleo de biomassa não activado e uma camada de resíduo
carbonoso.
Figura 5: Secção de uma partícula em combustão
Fonte: Ouedraogo et al. (1998), adaptado
À superfície das partículas de biomassa, o vapor de água e os voláteis, incluindo os asfaltos,
misturam-se com ar ambiente e a matéria combustível irá reagir com o oxigénio (figura 5),
formando a chama (Werther et al., 2000). Verifica-se que nesta fase o sentido da difusão dos
produtos é em direcção ao exterior da partícula, pelo que a quantidade de oxigénio que atinge
a superfície é desprezável e, consequentemente, as reacções de oxidação da fracção residual
de carbono são praticamente inexistentes (Kanury, 1994). A conversão da biomassa activa
(∂ρA/∂ t) em produtos secundários está dependente da taxa de formação de biomassa activa
(k1), da massa específica da biomassa original (ρw) e das taxas de transformação da biomassa
Biomassa original Biomassa activa
Asfaltos condensáveis Gases
Resíduo carbonoso + Gases
k1
k3
k2
k4
22
activa em resíduo carbonoso e gases (k2) e em asfaltos condensáveis (k3), tal como expresso
pela equação 4.
AwA kkkt
ρρρ)( 321 +−=
∂∂
(4)
Esta fase é crucial para a combustão da biomassa, uma vez que, ao contrário do carvão
mineral, a principal fonte de energia provém da queima dos voláteis, tendo sido observado
que no caso da madeira e da palha, corresponde a cerca de 67% da energia total libertada na
combustão (Werther et al., 2000). De facto, uma das vantagens da biomassa relativamente ao
carvão é o elevado teor em matéria volátil, o que facilita a sua combustão, no entanto, esta
diferença faz com que os sistemas desenhados para a combustão do carvão não sejam
inteiramente aplicáveis à combustão da biomassa (Werther et al., 2000).
Os principais gases formados durante esta fase, a partir da biomassa, consistem em CO, H2,
CO2 e CH4 (Kanury, 1994). Juntamente, existe também a libertação de vapores com peso
molecular mais elevado, os quais se diferenciam dos gases referidos antes pelo facto de
condensarem à temperatura ambiente. Estes compostos podem ser designados por asfaltos,
sendo a sua taxa de vaporização dependente do seu peso molecular, pressão e temperatura
(Sheng and Azevedo, 2001).
Num modelo desenvolvido para a combustão de uma partícula esférica de biomassa, com
reacções no seu interior, verificou-se que o tempo do final da combustão com chama
(combustão dos voláteis), tc, está dependente da massa específica inicial da partícula (ρ0), da
massa específica do resíduo carbonoso (ρc), da energia necessária à libertação dos voláteis
(normalmente considerado nulo) e do vapor de água (Lp), da energia incidente sobre a
partícula (q’’incidente) e do diâmetro inicial da partícula (d0) (Kanury, 1994), tal como expresso
pela equação 5:
( )''incidente
pcc q
dLt
600 ρρ −
= (5)
1.5.4 – Combustão do resíduo carbonoso
Durante o processo da pirólise forma-se o resíduo carbonoso com uma taxa (k2) de acordo
com o esquema da figura 4. A combustão heterogénea deste resíduo inicia-se quando a taxa
23
de produção de voláteis se torna muito baixa, ou seja, quando se deixa de observar a presença
de chama na superfície da partícula (Kanury, 1994). Nessas condições o oxigénio pode agora
atingir a superfície do resíduo carbonoso, levando à combustão heterogénea, produzindo
temperaturas cerca de 700-900ºC (Werther et al., 2000) e formando material incandescente
(Kanury, 1994).
A estrutura porosa do resíduo carbonoso depende do tipo de madeira, assim como das
condições durante o processo de pirólise. Dada a complexidade do fenómeno em causa
(cinética de reacções heterogéneas e transporte de massa) é usual caracterizar a taxa de
consumo do resíduo carbonoso por uma taxa de reacção aparente referida à área externa da
partícula. Esta taxa de reacção é expressa na forma de Arrhenius sendo usual assumir como de
primeira ordem em relação ao oxigénio junto à superfície da partícula. Como esta
concentração não é conhecida, a taxa de reacção aparente cinética é combinada com uma taxa
de difusão dos produtos de combustão da partícula para o exterior permitindo definir uma taxa
global de combustão da partícula em função da concentração de oxigénio longe da partícula
(Azevedo, 1994).
1.5.5 - Poluentes
As emissões poluentes resultantes da combustão da biomassa podem ser classificadas em dois
grupos principais: o primeiro grupo inclui as emissões de poluentes inqueimados, que são em
grande medida influenciadas pelo equipamento e pelo processo, enquanto que o segundo
grupo inclui as emissões inerentes a cada tipo de combustível (Werther et al., 2000), de
acordo com a origem da biomassa (tabela 10).
Dentro do primeiro grupo, ou seja, os poluentes inqueimados, incluem-se o CO,
hidrocarbonetos, voláteis condensados, hidrocarbonetos policíclicos aromáticos, etc. Estes
poluentes formam-se devido à baixa temperatura de combustão, à insuficiente mistura
combustível - ar e, ainda, ao curto tempo de residência na câmara de combustão. Na
combustão da biomassa em sistemas menos eficientes de grelha podem observar-se valores
até 1000-5000 mg/Nm3 de CO, 100-500mg/Nm3 de HCl, 0.1-1mg/Nm3 de hidrocarbonetos
policíclicos aromáticos e 150-500mg/Nm3 de hidrocarbonetos (Werther et al., 2000). De um
modo geral, estas emissões podem ser minimizadas, conduzindo a combustão de forma a
atingir-se um grau de queima mais eficiente, ou um menor teor de carbono nas cinzas, através
24
de uma mistura adequada combustível-comburente, elevadas temperaturas de combustão e
tempo de residência adequado na região de altas temperaturas (Werther et al., 2000).
Tabela 10: Principais fontes de emissões poluentes da combustão da biomassa
Combustível Emissões
Todas as biomassas CO, HC, condensados, hidrocarbonetos policíclicos aromáticos, partículas
Todas as biomassas NOX, N2O
Madeiras urbanas, palha, ervas, culturas energéticas
HCl, SO2, KCl, K2SO4, NH4Cl
Todas as biomassas Cinzas
Biomassas com metais pesados
Pb, Zn, Cd, Cu, Cr, Hg, etc.
Fonte: Werther et al. (2000)
Dentro do segundo grupo, a emissão de poluentes está dependente da composição da
biomassa utilizada. Algumas das principais emissões são os compostos de azoto (NOX e
N2O), óxidos de enxofre (especialmente SO2), gases ácidos (ex. HCl) e metais pesados (ex.
Pb, Zn, Cd) (Werther et al., 2000). Relativamente ao NOX, a sua formação é devida à
combustão dos elementos presentes nos voláteis, na sua maioria NH3 e HCN, e à oxidação do
azoto presente no resíduo carbonoso resultante da pirólise. Geralmente o NH3 decompõe-se
em radicais NH2 e NH que podem ser oxidados para formar NO, ou em alternativa, poderão
reagir com os radicais NO e OH para formar N2. Por outro lado, o HCN pode decompor-se
em NCO, reagindo com o NO para formar N2O. O azoto presente no resíduo carbonoso irá
reagir, formando NO, N2 e N2O, no entanto este último é extremamente sensível à
temperatura, formando N2 a temperaturas superiores a 900ºC (Werther et al., 2000). Para o
caso do enxofre e dos metais pesados, devido ao seu baixo teor na biomassa, em muitos casos
estas emissões são desprezadas, no entanto poderão representar uma fracção importante caso
se utilize biomassa resultante de madeiras tratadas ou pintadas (Jenkins et al., 1996).
1.5.6 - Depósitos
O consumo continuado do resíduo carbonoso leva à redução da sua massa até apenas uma
porção de cinza residual (Kanury, 1994), constituindo a fracção inorgânica da biomassa, a
qual varia de composição de acordo com o tipo de biomassa. A bibliografia disponível refere
25
que, por exemplo, o teor em cinzas da madeira é 0.5% (base húmida) enquanto que o da casca
de arroz é 18-25% (base húmida). Na biomassa densificada, o teor em cinzas é normalmente
inferior a 0.5% (base seca) no caso de ser preparada a partir de madeira, verificando-se no
entanto que, devido à mistura com impurezas por vezes atinge valores cerca de 10%, em base
seca (Ohman et al., 2002). Tal como nos combustíveis fósseis sólidos, muitos dos efeitos
destes constituintes inorgânicos são considerados negativos, acarretando problemas
ambientais e técnicos, como é o caso dos metais alcalinos, sulfatos ou cloretos. Mas, por outro
lado, esta fracção inorgânica vai actuar como catalisador da pirólise e das reacções de
gaseificação, influenciando o rendimento do processo (Suárez-García et al., 2002). Alguns
dos principais componentes encontrados na fracção inorgânica da biomassa são K2O, CaO,
P2O5, SiO2, Al2O3, Fe2O3 e MgO (Jenkins et al., 1996; Suárez-García et al., 2002), por ordem
decrescente de concentração no combustível.
A libertação do material inorgânico do combustível é influenciada tanto pela volatilidade
inerente a cada componente, como pelas reacções da fracção orgânica do combustível. O
material que é inerentemente volátil à temperatura de combustão inclui os derivados de alguns
metais alcalinos e alcalino terrosos, geralmente o potássio e o sódio. Por outro lado, o material
não-volátil pode ser arrastado durante o transporte convectivo da pirólise (Jenkins et al.,
1996).
Tal como foi referido, as cinzas provenientes da combustão da biomassa possuem um elevado
teor em compostos alcalinos, os quais poderão formar compostos com baixo ponto de fusão
durante a combustão ou gaseificação, cerca de 1200-1450ºC (Heinzel et al., 1998). Estes
compostos poderão formar aglomerados constituídos por cinza e areia ligados após a fusão,
apresentando algum material vítreo, o que pode levar à problemas no funcionamento da
instalação (Lin and Dam-Johansen, 1998).
Por outro lado, os combustíveis herbáceos (ex. palha) contém grandes teores de silício e
potássio, assim como de cloro, relativamente a outras biomassas. Estas propriedades têm
como resultado um aumento na deposição de cinzas a altas ou moderadas temperaturas,
resultando daí alguns problemas, por exemplo:
1) a reacção dos alcalinos com a sílica forma compostos que fundem a baixas
temperaturas (em certos casos, inferiores a 700ºC);
26
2) a reacção dos alcalinos com o enxofre forma sulfatos que se depositam nas superfícies
de transferência de calor da fornalha (Jenkins et al., 1996);
3) a formação de HCl a altas temperaturas é extremamente corrosivo para o equipamento.
1.6 - Estrutura da tese
Após este capítulo de introdução, onde se apresentaram revisões bibliográficas dos tópicos
desenvolvidos na tese, apresentam-se nos capítulos 2 a 4 os resultados obtidos, sendo feito um
resumo das conclusões e sugestões de trabalho futuro nos capítulos 5 e 6.
No capítulo 2 serão apresentados os resultados de um estudo realizado sobre a disponibilidade
dos resíduos de biomassa em Portugal. A secção 2.1 incide sobre a metodologia seguida e os
resultados obtidos na estimativa dos resíduos produzidos na floresta. A secção 2.2 incide
sobre a estimativa dos resíduos produzidos na indústria da madeira e da cortiça a partir dos
dados estatísticos existentes sobre o consumo de matérias primas nestas indústrias. A secção
2.3 inclui a estimativa dos resíduos produzidos na agricultura, nomeadamente nas culturas
temporárias e culturas permanentes, a partir dos dados disponíveis das estatísticas agrícolas. A
secção 2.4 incide sobre a estimativa dos resíduos na agro-indústria, nomeadamente nas
indústrias do ramo vegetal, a partir de dados provenientes de diferentes fontes. Finalmente, a
secção 2.5 inclui a avaliação da disponibilidade dos resíduos estimados nos pontos anteriores
para a sua utilização em combustão.
No capítulo 3 será descrita a metodologia usada para a avaliação do comportamento térmico e
ambiental duma caldeira doméstica alimentada a pellets de biomassa. A secção 3.1 inclui a
descrição da caldeira e da instalação montada. A secção 3.2 inclui a descrição da
instrumentação utilizada. A secção 3.3 inclui a descrição da metodologia dos ensaios. A
secção 3.4 inclui a descrição das pellets utilizadas e respectiva caracterização química.
Finalmente, a secção 3.5 inclui uma estimativa baseada em modelos simples de transferência
de energia para previsão da transferência de energia por convecção e por radiação em
condições normais e na carga máxima da caldeira.
No capítulo 4 será feita a apresentação e discussão dos resultados obtidos na avaliação do
comportamento da caldeira. A secção 4.1 inclui os resultados dos ensaios em regime
estacionário, incluindo o rendimento, perdas energéticas e emissões. Nesta secção inclui-se
27
ainda uma análise das parcelas do calor transferido por convecção e por radiação com base
nos resultados obtidos. A secção 4.2 inclui os resultados relativos ao comportamento da
caldeira durante a fase de arranque, em termos de evolução da temperatura e de emissões
gasosas.
No capítulo 5 será realizada uma recapitulação dos principais resultados e conclusões obtidas.
Finalmente, no capítulo 6 serão feitas sugestões para dar continuidade ao trabalho que
constitui a presente tese, com base nas limitações verificadas ao longo do tempo.
28
2 – Avaliação dos resíduos de biomassa em Portugal continental
Neste capítulo será apresentada a metodologia seguida e os resultados obtidos na avaliação
dos resíduos lenhosos de biomassa em Portugal nos principais sectores, nomeadamente na
floresta, indústria transformadora da madeira e da cortiça, agricultura e agro-indústria.
Adicionalmente, os resultados obtidos serão comparados com outros estudos similares já
realizados.
2.1 - Avaliação dos resíduos florestais
A utilização de uma parte da biomassa florestal como combustível é compatível com o uso
múltiplo dos recursos florestais, o qual constitui um conceito central na organização e gestão
das áreas florestais (Santos, 1986). Apesar da produção de madeira para a indústria ser o
principal objectivo da exploração florestal, o aproveitamento dos resíduos não implica
alterações no seu modelo de gestão, apenas algumas alterações logísticas necessárias à recolha
dos resíduos produzidos.
Neste trabalho foram considerados como resíduos florestais os topos e ramos dos pinheiros e
eucaliptos resultantes do processamento dos toros, a casca do eucalipto que em alguns casos é
retirada ainda no eucaliptal, embora comece a ser mais frequente a sua remoção na indústria e,
por fim, os ramos obtidos após a poda dos sobreiros e das azinheiras. Os pequenos ramos e
folhas acumulados na floresta, embora sem utilidade em termos energéticos, são importantes
por contribuírem para a nutrição do solo mas em termos ambientais podem apresentar
inconvenientes, uma vez que os ramos com diâmetro superior a 3 cm podem levar até 7 anos
para a sua decomposição completa e durante este processo podem gerar até 12% do carbono
inicial em CH4 e 57% em CO2 (Mann and Spath, 2000), com consequências sobre o efeito de
estufa mais graves do que a sua combustão.
Exploração do pinheiro
O principal objectivo é a produção de madeira para a indústria, sendo recomendado o seguinte
modelo de silvicultura (Oliveira et al., 2000):
� Ano 0: plantação do pinhal, com uma densidade de 1250 a 1670 N/ha
� 15 a 20 anos de idade: 1º desbaste, retirar 20-40% das árvores em pé
� 25 a 30 anos de idade: 2º desbaste, retirar 20 a 30% das árvores em pé
29
� 35 a 40 anos de idade: 3º desbaste, retirar 20 a 30% das árvores em pé
� 40 a 45 anos de idade: corte raso da população final, ou seja, 492 a 658 N/ha
No entanto, este modelo não é aplicável em algumas regiões com estatuto especial, como é o
caso do pinhal de Leiria, onde não é possível o abate de árvores com menos de 60 anos de
idade.
As árvores resultantes do corte final serão processadas pela indústria da madeira, ficando
geralmente os resíduos na floresta. A massa de ramos e topos, MBT (kg verdes/árvore) com
57.6% de humidade (Fernandes, 1998), está correlacionada com o DAP, medido em cm (Silva
et al., 1991), de acordo com a equação 6:
60414630 .BT DAP*.M = (6)
O DAP é estimado em função da idade da árvore, T (em anos), através da equação 7:
DAP = 20.320 + 0.290T – 3.911SI (7)
onde SI é o índice do local (SI = 3, para solos de baixa qualidade).
Com base nestas expressões e na quantidade de resíduos produzidos pelas árvores de acordo
com o modelo de exploração apresentado, estimou-se o valor médio de resíduos em 1.63 ton.
verdes/ha/ano, assumindo uma população inicial de 1460 N/ha e uma densidade no corte raso
de 575 N/ha. Neste caso, a quantidade média de resíduos produzidos por árvore é 1.5 kg
verdes/ano, ou seja, 0.69 kg secos/ano. Comparativamente, para o caso de não serem
realizados cortes intermédios durante o tempo de vida do povoamento, mas apenas um corte
raso final aos 43 anos, a estimativa dos resíduos produzidos é ligeiramente inferior, cerca de
1.4kg verdes/árvore/ano.
Exploração do eucalipto
O eucalipto é essencialmente utilizado pela indústria da pasta de papel, onde cerca de metade
dos toros dão entrada sem casca, sendo esta previamente retirada na floresta (Associação
Nacional da Indústria Papeleira, 2002). Foi considerado um tempo de rotação médio de 10
anos, ao fim do qual as árvores atingem um DAP de 12.5cm (Fernandes, 1998). A correlação
30
entre a massa de ramos e topos, MBT (kg verdes/árvore), é dada pela equação 8, sendo a
humidade destes resíduos de 52.6% (Fernandes, 1998):
756117850 .BT DAP.M = (8)
e a massa da casca, MB (kg verdes/árvore), é dada através da equação 9, sendo a humidade
destes resíduos de 59.5% (Fernandes, 1998):
7982014320 .B DAP..M = (9)
Em resultado, a quantidade total de resíduos são os resultantes dos ramos e topo (cerca de 15
kg/árvore) e metade da massa da casca (16.8 kg/árvore), o que resulta num valor médio de
23.4 kg verdes/árvore em 10 anos. Ou seja, a produção média anual de resíduos de eucalipto é
de 2.34 kg verdes/árvore, ou 1.05 kg secos/árvore.
Exploração da azinheira e do sobreiro
Os resíduos da exploração da azinheira e do sobreiro constituem a lenha, a qual, ao contrário
do que sucede com os resíduos florestais, é extremamente valorizada pela sua utilização em
lareiras domésticas e também pelas pequenas indústrias de fabrico de produtos tradicionais,
como é o caso dos enchidos fumados. Segundo a bibliografia disponível, a quantidade média
de madeira podada é 30kg/árvore e a sua periodicidade é de 9 anos (Gil, 1998), no entanto, a
produção de lenha por unidade de área de azinhal ou sobreiral está dependente do seu regime
de exploração, com implicações na densidade dos povoamentos. A questão da densidade dos
sobreirais e azinhais constitui problema delicado e, infelizmente, na prática verifica-se ser
difícil aplicar as conclusões a que se possa conduzir qualquer estudo que se apoie num critério
estritamente matemático (Natividade, 1950). De facto, além dos critérios edafo-climáticos que
influenciam o desenvolvimento de qualquer espécie vegetal, em muitas situações a exploração
suberícola está associada à exploração agrícola, pelo que a sua densidade está subordinada às
exigências desta última (Natividade, 1950).
Estimativa dos resíduos
A densidade média para as diferentes espécies foi calculada através de uma média ponderada
dos povoamentos puros e mistos dominantes presentes na 3ª revisão do Inventário Florestal
31
Nacional (DGF, 2001). Adicionalmente, é apresentada uma estimativa do valor médio da
densidade dos povoamentos florestais de acordo com modelos de gestão florestal propostos
para o pinheiro bravo (Oliveira et al., 2000), eucalipto (Fernandes, 1998; Fortuna, 1986),
sobreiro e azinheira (Natividade, 1950). Estes valores são apresentados na tabela 11,
juntamente com a estimativa anual dos resíduos por hectare.
Tabela 11: Densidade e estimativa de resíduos por área e ano
Densidade média (N/ha) Resíduos (ton./ha/ano)1
Espécies IFN (2001) Modelos florestais
Base húmida Base seca
Pinheiro 424 1057 0.6 0.3
Eucalipto 520 1587 1.2 0.5
Azinheira 42 93 0.1 0.1
Sobreiro 81 159 0.3 0.1 1 com base nas densidades florestais da 3ª revisão do IFN (DGF, 2001)
O valor da densidade dos povoamentos obtido a partir dos dados do Inventário Florestal são
significativamente inferiores aos valores apresentados pelos modelos de exploração das várias
espécies. Com efeito, de acordo com a exploração recomendada do pinheiro, a densidade
média ao longo do período de exploração é de 1057 N/ha. Para o eucalipto, tendo em conta,
os valores optimizados de densidade de 1800 N/ha (Fernandes, 1998) para a zona acima do
Tejo e 900 N/ha (Fortuna, 1986) para a zona abaixo do rio Tejo, obtém-se a média ponderada
de 1587 N/ha para o País. Para o sobreiro e azinheira, o cálculo da densidade óptima teórica
foi realizado com base na expressão 10 (Natividade, 1950), onde CAP é a circunferência à
altura do peito (em m):
6342597
7392
.CAP.N
−= [em árvores/ha] (10)
obtendo-se uma densidade óptima de 159 N/ha para o sobreiro e 93 N/ha para a azinheira.
Estas diferenças levam a crer que grande parte das áreas contabilizadas no Inventário Florestal
Nacional apresentam uma densidade muito menor que a ideal, conduzindo a valores médios
inferiores.
32
Os valores das densidades florestais para os diferentes povoamentos, calculados a partir dos
dados do IFN, foram extrapolados para todo o País, uma vez que o documento é omisso nos
valores das densidades para as diferentes regiões. A estimativa dos resíduos florestais anuais é
apresentada na tabela 12, tendo sido calculada através dos valores estimados das densidades a
partir dos dados do Inventário Florestal (tabela 11) e das áreas dos diferentes povoamentos
(tabela 1).
Tabela 12: Resíduos anuais estimados, por espécie (mil ton./ano)
Norte Centro Lisboa e V. do Tejo
Alentejo Algarve TOTAL
h 156 363 70 71 10 670 Pinheiro
s 67 155 30 30 4 286
h 175 277 175 159 35 821 Eucalipto
s 78 124 78 71 16 367
h 3 4 ~0 56 1 65 Azinheira
s 1 2 ~0 28 1 32
h 6 8 38 130 11 193 Sobreiro
s 3 4 19 65 5 96
h 340 652 284 416 57 1749 TOTAL
s 149 285 127 194 26 781
Nota: h - base húmida, s – base seca
De acordo com as estimativas realizadas (tabela 12), a produção anual de resíduos em
Portugal é 1749 mil toneladas verdes, ou seja, 781 mil toneladas secas/ano. A distribuição dos
resíduos indica que estes se encontram na sua maior parte na região Centro (652 mil toneladas
verdes/ano), uma vez que é aí onde se encontra a maior mancha florestal do País. Os
resultados obtidos mostram que a produção de resíduos deve-se essencialmente à exploração
do pinheiro e do eucalipto, as quais são responsáveis por cerca de 85% dos resíduos florestais.
Por outro lado, os resíduos obtidos através da poda das azinheiras e dos sobreiros representam
uma pequena fracção, cerca de 128 mil toneladas secas, correspondendo apenas a cerca de 7%
da biomassa produzida. No entanto apresentam um grande valor comercial devido à sua
procura, o que constitui uma importante fonte de receitas para os agricultores, além do
rendimento obtido pela venda da cortiça.
33
Os valores obtidos pela Arthur D. Little (1985) apontam para uma produção anual de 1800
mil toneladas secas de resíduos florestais, ou seja, um valor muito superior ao estimado na
presente tese, o qual poderá ser devido ao facto de naquele trabalho terem considerado uma
maior densidade dos povoamentos. Outro motivo que contribui para a diferença de valores,
está relacionado com o facto de neste trabalho apenas se ter considerado a massa de lenha
podada no sobreiro e na azinheira, enquanto que no trabalho de Arthur D. Little (1985) foi
ainda contabilizada a biomassa resultante do arranque de árvores mortas e doentes.
No ponto 2.2.1, estes resultados serão comparados com os de outras metodologias empregues
na avaliação dos resíduos florestais, nomeadamente com base no volume de madeira
consumido pela indústria, e em outro caso, com base nos modelos recomendados da
exploração florestal, com o objectivo de verificar a consistência dos valores obtidos.
2.2 – Avaliação dos resíduos da indústria de transformação da madeira e cortiça
Os resíduos produzidos pelas indústrias da madeira, cortiça e pasta de papel têm grande
interesse em termos de produção de biomassa, no entanto a sua quantificação é difícil, uma
vez que grande parte dos resíduos produzidos são vendidos ou cedidos a outras indústrias que
os irão utilizar como matéria-prima, deixando de estar disponível como fonte de energia.
Serrações
No caso das serrações, a percentagem de madeira serrada corresponde a 47.5% da matéria-
prima, enquanto que a produção de resíduos apresenta a seguinte distribuição: casca (20%),
serrim (12.5%) e costaneiras (20%) (Carvalho et al., 1981). Tendo em consideração que a
matéria-prima principal da serração é o pinheiro bravo, calculou-se a massa volúmica a partir
da equação 11 (Sardinha, 1988 - adaptado):
)1).(1(
)1).(15.01.( %15%15
VH
VH H ε
ερρ+−
+−= (11)
onde ρ15% = 600kg/m3 para o pinheiro bravo (a 15% de humidade) e εV representa o
coeficiente de retractibilidade da madeira, expresso em percentagem. De acordo com as fontes
consultadas, os valores tipo para o pinheiro bravo são εV15% = 7% e εVH>30% = 12.4%
34
(Matweb, 2002). Considerando uma humidade média (H) de 30% para a madeira, obteve-se o
valor ρ30% = 694kg/m3.
Tabela 13: Consumo de matéria-prima na indústria transformadora da madeira (em mil m3)
1997 1998 1999 Média
Toros de pinheiro bravo, nacional 3302 3393 3116 3271
Toros de madeira tropical 204 276 284 255
TOTAL 3506 3669 3400 3525
Fonte: INE (1998 a 2001b)
Tendo em conta a média do consumo de madeira patente na tabela 13 e as propriedades
referidas anteriormente, conclui-se que o valor estimado para os resíduos produzidos pela
indústria transformadora da madeira é 899 mil toneladas secas/ano, onde uma grande parte é
utilizada na produção de contraplacados e outros produtos.
Indústria da pasta do papel
A indústria da pasta de papel representa o principal utilizador da madeira em Portugal,
gerando uma grande quantidade de resíduos. De facto, verifica-se que quase todas as unidades
fabris dispõem de caldeiras de queima de resíduos de biomassa que consomem
maioritariamente casca, no entanto, a única fábrica em Portugal equipada com um leito
fluidizado consome ainda outros resíduos.
Assumiu-se que os principais resíduos produzidos na indústria da pasta do papel são a casca e
a serradura. Para estimar estes resíduos assumiu-se que durante a produção de uma tonelada
de pasta de papel são produzidas 0.75 toneladas de casca e 0.1 toneladas de serradura
(Antunes, 1998). E foi igualmente assumido que para a produção de uma tonelada de pasta de
papel são necessárias duas toneladas de madeira (Barreto, 1980).
Através das estatísticas da Associação da Indústria Papeleira (2002), foram obtidos os valores
da madeira consumida pela indústria da pasta de papel, para o período 1997 a 1999 (tabela
14):
35
Tabela 14: Consumo de matéria-prima na indústria da pasta do papel (em mil m3)
Espécies Tipo de rolaria 1997 1998 1999 Média
Com casca 2282 2640 2691 2538 Eucalipto
Sem casca 2142 2141 1893 2059
Com casca 317 394 378 363
Sem casca 178 111 102 130 Pinho
Aparas 620 601 578 600
TOTAL 5539 5887 5642 5690
Fonte: Associação Nacional da Indústria Papeleira (2002)
De acordo com os dados disponibilizados pela Associação Nacional da Indústria Papeleira
(2002), a matéria-prima transformada pelos seus associados provém na sua grande maioria do
mercado doméstico, cerca de 90%, tal como se pode observar pela tabela 15.
Tabela 15: Origem da matéria-prima adquirida pela indústria da pasta do papel (em mil m3)
Espécies Origem 1999 2000 Média
Eucalipto Nacional 3 988 4 264 4 126
Importada 596 406 501
Pinheiro Nacional 887 681 784
Importada 171 160 165
Fonte: Associação Nacional da Indústria Papeleira (2002)
Para a estimativa realizada, foi assumida uma massa específica de 800kg/m3 para o eucalipto
verde e 809kg/m3 para o pinheiro, considerando uma humidade de 40% (equação 11).
Estimou-se que a quantidade de resíduos produzidos na indústria da pasta do papel é 645 mil
toneladas secas/ano.
Transformação da cortiça
Outra fonte de biomassa é o pó de cortiça, formado a partir da transformação deste importante
recurso da floresta portuguesa. De acordo com a bibliografia disponível, a quantidade de pó
36
de cortiça produzida durante a sua transformação é cerca de 26% da matéria-prima, com um
teor de humidade de 12% (Gil, 1998). De acordo com os dados referentes ao período 1997 –
1999, o consumo de cortiça apresentou a seguinte evolução (tabela 16):
Tabela 16: Consumo de cortiça pela indústria transformadora (em ton.)
1997 1998 1999 MÉDIA
159974 210430 156675 175693
Fonte: INE (1998 a 2001b)
Para o valor médio dos três anos contemplados (cerca de 176 mil toneladas), a quantidade de
pó de cortiça estimada foi 40 mil toneladas secas/ano. No entanto, verifica-se que a maior
parte destes resíduos são utilizados dentro da própria fábrica como fonte de energia (70%),
sendo a restante oferecida a indústrias locais, nas quais é também utilizada como fonte de
energia (Fonte: Grupo Amorim, comunicação pessoal).
Tabela 17: Resíduos da indústria de transformação da madeira e cortiça
Resíduos (mil ton. secas/ano) Indústria
Produzidos Disponíveis
Mercado alternativo
Observações
Serração 899 ~15% Produção de aglomerados
Usado em combustão
Pasta do papel 645 0 - Usado em combustão
Transformação da cortiça
40 30% - Usado em combustão
TOTAL 1584 147
A tabela 17 apresenta um resumo das indústrias de transformação da madeira e cortiça, onde
se verifica que a quantidade total estimada de resíduos foi cerca de 1584 mil toneladas
secas/ano. No entanto, é necessário ter em conta o seu destino actual e preço de mercado
(caso exista) para ser possível tirar conclusões acerca da sua disponibilidade para produção de
energia economicamente viável.
Os valores obtidos relativamente à produção de resíduos são próximos dos obtidos pela
Arthur D. Little (1985).
37
2.2.1 - Estimativa dos resíduos florestais a partir do consumo de madeira
Pretendeu-se neste ponto realizar um estudo comparativo de avaliação dos resíduos florestais,
tal como realizado no ponto 2.1, mas neste caso a partir do volume de madeira transformado.
O método seguido neste ponto baseou-se no consumo anual de madeira nacional pelas
indústrias transformadoras, ou seja, a partir do volume de madeira de pinheiro nacional
utilizado pela indústria de transformação da madeira (tabela 13) e do volume de madeira de
pinheiro e eucalipto nacional utilizado pela indústria da pasta do papel (tabela 15).
Com base nos resultados obtidos por Fernandes (1998) para a produção de resíduos de
pinheiro em diferentes classes de solo, verificou-se que para um solo classe III, uma árvore
com 40-45 anos apresenta um DAP de 20.91 cm e altura dominante (Hd) de cerca 11.3 m, o
que corresponde a um volume de 0.191 m3/árvore, de acordo com a equação 12, retirada do
Inventário Florestal (DGF, 2001):
1000
028677011529306898403 22 HdDAP.DAP..VTOTAL
++= [m3/árvore] (12)
Tendo em conta os dados dos consumos de madeira de pinheiro nacional na indústria
transformadora da madeira (tabela 13), da pasta do papel (tabela 15) e o volume obtido a
partir da expressão 12, obteve-se um número estimado de cerca de 21 milhões de pinheiros
nacionais consumidos. Tendo em conta a quantidade de resíduos obtidos numa população
com as características referidas (25.77 kg secos/árvore, a partir da equação 6), estimou-se que
a quantidade total de resíduos deixados na floresta é cerca de 547 mil toneladas secas/ano.
Para o eucalipto, foi assumido um DAP de 12.5 cm e altura dominante (Hd) de 17.5m,
representativo de povoamentos com mais de 1000 N/ha (CBE, 1993). De acordo com a
equação 13, semelhante à analisada por Paulo et al. (2002), corresponde a 0.102 m3/árvore:
0702881819071100004840 .. HdDAP.V = [m3/árvore] (13)
Verificou-se, no entanto, que os valores observados para o DAP e altura dominante tendem a
diminuir com a densidade do povoamento, para todas as classes de qualidade (CBE, 1993).
38
Tendo em conta que parte da casca é removida na floresta, a utilização directa do volume não
é viável, pelo que o cálculo dos resíduos produzidos na floresta devido ao abate do eucalipto
foi calculado tendo em conta a morfologia da árvore.
Tendo em conta a quantidade de resíduos obtidos por árvore calculada anteriormente (23.4 kg
verdes/árvore/rotação) e considerando que metade da casca é retirada na floresta, estimaram-
se os resíduos de acordo com a seguinte expressão:
%8.31100.
2
8.1682
4.23 =
−=adeiraResíduos/m
que se encontra de acordo com o observado por Pereira and Pereira (1988). Tendo em conta
os dados do consumo presentes na tabela 15, a massa consumida foi de 3301 mil
toneladas/ano, o que significa que a quantidade de resíduos produzidos foi de 1050 mil
toneladas verdes/ano. Considerando uma humidade média de 52.6%, estimou-se a quantidade
de resíduos secos produzidos em 498 mil toneladas secas/ano.
Verificou-se que a produção de resíduos durante o abate de pinheiro foi cerca de 547 mil
toneladas secas/ano, valor superior ao do eucalipto, onde se estimaram valores cerca de 498
mil toneladas secas/ano, o que totaliza cerca de 1045 mil toneladas secas/ano para os resíduos
provenientes destas duas espécies.
Comparação dos resultados
A tabela 18 sintetiza as diferenças observadas através da aplicação dos seguintes métodos
para o cálculo dos resíduos de biomassa deixados na floresta:
� método 1a: com base nas densidades dos povoamentos presentes no Inventário
Florestal de 2001, tal como descrito no ponto 2.1
� método 1b: com base no valor médio das densidades dos povoamentos geridos de
acordo com os modelos de exploração propostos para cada espécie
� método 2: com base no consumo de madeira na indústria da pasta do papel e na
indústria transformadora da madeira
39
Tabela 18: Estimativa dos resíduos florestais segundo diferentes métodos (mil ton. secas/ano)
Espécies Método 1a Método 1b Método 2
Pinheiro 286 675 547
Eucalipto 367 760 498
Sobreiro 96 227 961
Azinheira 32 86 321
TOTAL 781 1748 1173 1 calculado através de forma semelhante à do método 1a
Os resultados obtidos através da aplicação dos diferentes métodos (tabela 18) apresentaram
uma grande diferença de valores. O método 1a apresentou valores que, possivelmente estão
subdimensionados face ao potencial da floresta, consequência do baixo valor da densidade
florestal utilizado. O método 1b apresentou valores que, apesar de semelhantes a outros
estudos realizados (Arthur D. Little, 1985; CBE, 1993), poderão estar sobredimensionados,
uma vez que foi assumido que toda a área florestal é gerida segundo os modelos de
exploração propostos para cada espécie. Finalmente, os dados obtidos de acordo com o
método 2, eliminam o erro devido ao valor da densidade florestal, uma vez que se baseou na
madeira realmente retirada da floresta, no entanto é necessário ter um conhecimento bastante
aproximado da idade das árvores abatidas e da relação resíduos/árvore. Os valores obtidos
neste último método foram os utilizados para o cálculo da biomassa produzida em Portugal,
realizado posteriormente.
Comparando os resultados obtidos no método 1a e método 2, verificou-se que as diferenças
são mais significativas nas estimativas para o pinheiro do que para o eucalipto. Uma das
causas para esta diferença poderá ser a entrada de madeira proveniente de áreas ardidas, não
contabilizadas como áreas florestais, mas onde a madeira é contabilizada como matéria-prima
consumida pela indústria. Outro factor que influencia as diferenças entre as duas espécies
poderá ser a redução da área de pinheiro a favor da área de eucalipto, verificada nos últimos
anos. De facto, com base nos valores presentes no Inventário Florestal de 1993 e no de 2001,
verificou-se que a área de eucalipto aumentou 286 mil ha, ou seja, cerca de 1%/ano,
essencialmente à custa da diminuição da área do pinheiro bravo. Tendo em conta que o último
Inventário Florestal foi realizado com base em fotografias aéreas de 1995 será previsível que,
a manter-se essa tendência, a área do eucalipto nos anos considerados no consumo de madeira
40
(1997 a 1999) seja superior ao referido no Inventário de 2001, logo, os valores presentes no
consumo de madeira de eucalipto destes últimos anos não poderão ser correlacionados com os
valores do IFN de 2001, uma vez que se referem a realidades distintas.
Relativamente às diferenças observadas para o caso do pinheiro, tendo em conta os dados
presentes no mais recente Inventário Florestal (DGF, 2001), verificou-se que os povoamentos
de pinheiro bravo com mais de 40 anos correspondem a cerca de 46% da área total, o que
poderá indiciar que o ciclo de vida geralmente utilizado seja superior ao recomendado pelo
modelo de gestão, por exemplo 60 anos. Considerando este tempo de vida, as metodologias
anteriormente expostas conduzem a uma redução da estimativa dos resíduos florestais de 5%
no método 1a e 30% no método 2, levando a uma aproximação dos valores. Este facto poderá
indiciar que o ciclo de vida mais comum na gestão da floresta inclui tempos de vida
superiores ao proposto pelo modelo de gestão.
2.3 – Avaliação dos resíduos da agricultura
Apesar da agricultura portuguesa estar a atravessar momentos mais difíceis, esta actividade
continua a ser ainda uma referência na nossa economia, onde a superfície agrícola utilizada
(SAU) representa cerca de 42% da superfície total de Portugal (INE, 2001a) e a população
trabalhadora no sector primário representa cerca de 11% da população activa (INE, 2001a). A
agricultura que se pratica actualmente continua a ser uma agricultura sustentada no cultivo
dos cereais, responsável pela maior parte da área ocupada pelas culturas temporárias (43%), e
na exploração do olival e da vinha, responsáveis por 77% da área ocupada pelas culturas
permanentes (INE, 2001b).
Entendeu-se como resíduos da agricultura toda a biomassa aérea obtida durante o processo de
produção das culturas temporárias, excepto o produto principal, e os resíduos provenientes
das podas das culturas permanentes, assumindo que não existem diferenças técnicas entre as
diferentes regiões do País. Assim, foram incluídas nesta definição as palhas dos cereais, os
caules do girassol e do milho, as partes aéreas das principais plantas herbáceas e os ramos das
podas das árvores. A estimativa destes resíduos foi realizada com base nas estatísticas
agrícolas de 1997 a 1999, em informações fornecidas pelas Direcções Agrárias
(comunicações pessoais) e na literatura disponível. Para os cereais e outras culturas, a
41
estimativa dos resíduos deixados após a colheita foi realizado tendo por base as relações
resíduo/grão presentes na tabela 19:
Tabela 19: Características dos principais resíduos agrícolas herbáceos
Espécie Relação resíduo/grão
Humidade (%)
Fonte
Trigo 1.0 14 Adbeels (1987)
Cevada 1.0 14 Adbeels (1987)
Aveia 1.0 14 Adbeels (1987)
Centeio 1.0 14 Adbeels (1987)
Arroz 1.0 30 FAO (1989), Kocsis (1987)
Milho 1.2 40 Adbeels (1987), Kocsis (1987)
Girassol 2.0 30 Cresta and Giolitti (1987), Kocsis (1987)
Beterraba 28.2% da planta 83.5 Amaral (1978)
Tomate 1.69 ton./ha 71.1 Alves (1995)
A tabela 20 resume a informação relativa aos resíduos produzidos após a colheita das
principais culturas temporárias em Portugal, os quais foram calculados com base na relação
resíduo/grão e na média dos valores das produções obtidas nos anos 1997 a 1999 (INE, 1998
a 2001a). É possível concluir que a produção anual de resíduos é cerca de 1324 mil toneladas
secas/ano, das quais uma importante parcela provém do trigo, arroz e milho.
De facto, a palha resultante da debulha apresenta uma produção de resíduos cerca de 455 mil
toneladas secas/ano, com um valor de humidade muito baixo (~14%). A sua principal
aplicação é a alimentação animal e o fabrico de camas para o gado, pelo que atinge um grande
valor comercial (cerca de 35.2€/tonelada), o que torna menos competitiva qualquer aplicação
deste resíduo para combustão em Portugal. Em países nórdicos, como a Dinamarca, a palha é
utilizada em grande escala para queima. A parte aérea das plantas herbáceas constitui
igualmente um resíduo de biomassa, no entanto, é geralmente deixado no terreno para
alimentação do gado ou em alternativa, é utilizado como fertilizante, incorporando este
material no solo. Relativamente ao cultivo do girassol e milho, os caules remanescentes no
terreno após a debulha são queimados mais tarde, de modo a utilizar as cinzas como
fertilizante para a cultura seguinte. Os resíduos do girassol e milho são assim os únicos
42
resíduos que podem ser utilizados para combustão apesar de numa situação de procura, possa
ver o mercado alternativo de alimentação do gado a competir. O resíduo do tomateiro devido
ao alto teor de humidade não pode ser utilizado para combustão.
Tabela 20: Resíduos das culturas temporárias
Resíduos Resíduos secos (mil ton. /ano)
Período Preço (€/ton.)
Observações
Palha de trigo duro 46 Junho - Agosto
35.21 Preço elevado Alimentação de animais
Palha de trigo mole 189 Junho - Agosto
35.21 Preço elevado Alimentação de animais
Palha de cevada 24 Junho - Agosto
35.21 Preço elevado Alimentação de animais
Palha de aveia 47 Junho - Agosto
35.21 Preço elevado Alimentação de animais
Palha de centeio 37 Junho - Agosto
35.21 Preço elevado Alimentação de animais
Palha de arroz 112 Outubro - Novembro
0 Elevada humidade
Caules de milho 791 Setembro - Outubro
0 Oferecido a criadores de gado
Caule de girassol 38 Agosto 0 Oferecido a criadores de gado
Coroa da beterraba 12 Julho - Outubro
0 Elevada humidade
Tomateiro 28 Junho - Setembro
0 Oferecido a criadores de gado
TOTAL 1324
Relativamente às culturas permanentes, as podas resultantes do maneio das árvores
apresentam-se como um resíduo com enorme potencial, uma vez que contrariamente à palha,
não apresenta mercado alternativo, o que significa que não tem valor comercial. A sua
estimativa foi realizada tendo em conta a periodicidade com que são realizadas em cada
espécie, a densidade dos povoamentos, a humidade dos ramos e as quantidades médias de
ramos podados por árvore. Os dados necessários foram obtidos através da consulta da
bibliografia disponível e de informações cedidas pelas Direcções Agrárias (tabela 21).
43
Tabela 21: Características das podas das culturas permanentes
Espécies Densidade (N/ha)1
Resíduos (kg/árvore)
Período entre podas (anos)
Humidade (%)
Macieira Norte = 918 Centro = 1068
LVT = 974
Alentejo = 1446
Algarve = 606
4.82 1 40
Damasqueiro LVT = 471
Algarve = 586 13.32 1 40
Cerejeira Norte = 436 Centro = 379 LVT = 353 Alentejo = 664 Algarve=710
4 1 40
Pessegueiro Norte = 554 Centro = 705 LVT = 743 Alentejo = 709 Algarve = 660
7.92 1 40
Ameixeira 500 4 1 40 Kiwi 500 4 1 40 Figueira 400 4 1 40 Pereira Norte = 752
Centro = 980 LVT = 901 Alentejo = 941 Algarve = 744
4.62 1 40
Aveleira 333 11.13 4 40 Amendoeira 400 14.42 3 40 Laranjeira Norte = 385
Centro = 433 LVT = 471 Alentejo = 407 Algarve = 451
12 1 40
Tangerineira Norte = 409 Centro = 408 LVT = 576 Alentejo = 408 Algarve =466
12 1 40
Limoeiro LVT = 403
Algarve = 48 12 1 40
Vinha 1.4 ton/ha4 1 154 Oliveira 1003 22.82 53 40
1 INE (1998a); 2 Dados obtidos em ensaios de campo; 3 Direcção Regional de Agricultura de Trás-os-Montes (comunicação pessoal); 4 Peça (1993)
44
Em certos casos, procedeu-se à realização de trabalhos de campo na Escola Superior Agrária
de Beja e no Monte da Malagueta (Pias, concelho de Serpa), para a determinação de
parâmetros em falta, nomeadamente a determinação da massa dos ramos podados em
diferentes árvores de fruto.
Tabela 22: Resíduos das culturas permanentes
Resíduos das podas
Quantidade (mil ton. secas/ano)
Período Preço (€/ton.)
Observações
Macieiras 66 Dezembro - Janeiro
0 Pode ser usado para combustão
Damasqueiros 3 Idem Idem Idem
Cerejeiras 4 Idem Idem Idem
Pessegueiros 32 Idem Idem Idem
Ameixeiras 3 Idem Idem Idem
Kiwi 1 Idem Idem Idem
Figueiras 8 Idem Idem Idem
Pereiras 31 Idem Idem Idem
Aveleiras ~1 Idem Idem Idem
Amendoeiras 46 Idem Idem Idem
Laranjeiras 32 Idem Idem Idem
Tangerineiras 7 Idem Idem Idem
Limoeiros 2 Idem Idem Idem
Vinhas 294 Idem Idem Idem
Oliveiras 147 Idem 501 Idem
TOTAL 677 1 apenas para os ramos de maiores dimensões
Relativamente às culturas permanentes, verificou-se que a produção de resíduos de biomassa
é de 677 mil toneladas secas/ano, incluindo as podas das árvores de fruto, mas onde o grande
contributo provém das culturas tradicionais, como é o caso do olival e da vinha (tabela 22).
Tendo em conta os resultados apresentados nas tabelas 20 e 22, concluiu-se que a produção
anual média de resíduos de biomassa na agricultura é cerca de 2001 mil toneladas secas/ano.
45
2.4 – Avaliação dos resíduos da agro-indústria
Relativamente à produção de resíduos de biomassa na agro-indústria, apenas foi tida em
consideração as indústrias produtoras de resíduos de natureza lenhosa, ficando portanto
excluídas todas as indústrias do ramo animal.
A estimativa apresentada teve por base a consulta de bibliografia relativa ao processo de
produção das diversas indústrias, a consulta de dados estatísticos referentes ao consumo de
matérias-primas e, em alguns casos, foram contactadas directamente algumas empresas.
Relativamente aos processos de fabrico incluídos neste estudo, a bibliografia disponível
permite avançar os seguintes rendimentos:
� Sumo de laranja: a quantidade de resíduos é 56% da matéria-prima (Amaral, 1994), com
80% de humidade;
� Sumo de pêssego: a quantidade de resíduos é 5% da matéria-prima (Ferreira, 1983);
� Transformação de tomate: os resíduos dentro da fábrica incluem o esmagamento de
tomate (2,5%), caules e folhas (2%) e polpas (2,5%), com 80% de humidade (Grupo de
Trabalho Sobre os Resíduos, 1981);
� Beterraba: em Portugal apenas existem duas fábricas de fabrico de açúcar de beterraba, a
DAI em Coruche e a SINAGA em Ponta Delgada. A quantidade de resíduos produzidos é
cerca de 4% da matéria-prima, com 10% de humidade (Fontes: DAI e SINAGA,
comunicação pessoal);
� Farinha de trigo: a quantidade de farelo é 18.5% da massa do grão (Beirão da Costa,
1980) com 13.2% de humidade;
� Farinha de centeio: a produção de resíduos é cerca de 30% da massa do grão (Beirão da
Costa, 1980) com 12.5% de humidade;
� Secagem do arroz: os resíduos relacionados com a secagem do arroz é a casca do arroz
(20% do grão) e o farelo (4.8% do grão) (Beirão da Costa, 1980), com 8% de humidade
(Magasiner and Kock, 1987);
� Farinha de milho: a quantidade de farelo é 20% do grão, com 11.8% de humidade (Beirão
da Costa, 1980);
� Azeite: no presente relatório são apresentados valores declarados ao INGA referentes aos
anos 1997 e 1998. Devido à falta de informação disponível para o ano 1999, a quantidade
46
de resíduos teve de ser estimada (cerca de 40% da matéria-prima). O conteúdo de
humidade é 52% (Fonte: União das Agrícolas Cooperativas do Sul, comunicação
pessoal);
� Óleo de soja: os valores referentes a 1997 e 1998 foram retirados das Estatísticas da
Produção Agro-Industrial 1996-1998 (INE, 1998b). Devido à falta de dados disponíveis,
os resíduos relativos a 1999 tiveram de ser estimados. A literatura disponível refere que a
quantidade de resíduos produzidos é 82% da matéria-prima (Grupo de Trabalho Sobre os
Resíduos, 1981), com 13% de humidade (Fonte: TAGOL, comunicação pessoal);
� Óleo de girassol: devido à falta de dados disponíveis, os resíduos relativos a 1999 tiveram
de ser estimados. A literatura disponível refere que a quantidade de resíduos produzidos é
60% da matéria-prima (Grupo de Trabalho Sobre os Resíduos, 1981), com 10% de
humidade (McDonald et al., 1981);
� Casca de amêndoa: os resíduos foram estimados com base num balanço de massa
realizado para o sector a partir dos valores presentes nas Estatísticas da Produção Agro-
Industrial 1996-1998 (INE, 1998b). O teor de humidade é 7.8% (ECN, 2002);
� Casca de pinhão: os resíduos de casca de pinhão foram estimados com base na diferença
de massa a partir dos valores presentes nas Estatísticas da Produção Agro-Industrial
1996-1998 (INE, 1998b). Adicionalmente houve que contabilizar as brácteas da pinha, as
quais representam a maior parcela da pinha (83%). A literatura refere que a relação
pinha/pinhão é 5.88 (Maia, 1973) e o teor de humidade é 13% (Sanz and Lorenzo, 2000);
� Amendoim: os resíduos foram calculados a partir de balanço de massa a partir dos dados
presentes nas Estatísticas da Produção Agro-Industrial 1996-1998 (INE, 1998b);
� Marmelada: a quantidade de resíduos produzidos representa 5% da massa de matéria-
prima (Ferreira, 1983), com 80% de humidade (Fonte: Confeitaria Mirene, comunicação
pessoal);
� Caroços de azeitonas: este resíduos dizem respeito aos caroços de azeitona retirados
durante o processo de fabrico de azeitonas em conserva e foi calculado a partir de um
balanço de massa, usando os valores presentes nas Estatísticas da Produção Agro-
Industrial 1996-1998 (INE, 1998b). A humidade é cerca de 60% (Fonte: Maçarico S.A.,
comunicação pessoal);
47
� Cerveja: os resíduos sólidos da indústria da cerveja são constituídos por malte, gritz de
milho e lúpulo, constituindo cerca de 57% da matéria-prima utilizada, com 82% de
humidade (Fonte: Group ECM – Madeira, comunicação pessoal);
� Engaços de uva: os engaços são obtidos durante o processo de fabrico de vinho e
constituem a fracção herbácea não aproveitável, obtida após o esmagamento das uvas. Os
engaços constituem cerca de 19% da massa da matéria-prima (Grupo de Trabalho Sobre
os Resíduos, 1981), com 80% de humidade (Pato, 1988).
O sector agro-industrial também se apresenta como um sector onde a produção de resíduos de
biomassa atinge valores consideráveis, no entanto, a grande maioria apresenta elevados teores
de humidade (50 a 80%), como é caso do ramo das bebidas ou do concentrado de tomate. Por
outro lado, os resíduos resultantes de algumas indústrias, como as do fabrico de óleo de soja,
de girassol e do fabrico de açúcar de beterraba apresentam baixos valores de humidade (10 a
13%), no entanto, devido ao seu elevado valor proteico têm uma grande procura pelas
indústrias de rações para animais, o que eleva bastante o seu valor de mercado (133 a
215€/ton), tornando-os economicamente inviáveis para utilização como fonte de energia
renovável.
Relativamente a outras indústrias, durante o processo de fabrico de farinhas a maioria dos
resíduos consiste na casca dos grãos, com um reduzido teor em humidade (8 a 14%), ou seja,
viável para utilização como fonte de energia. Mas, tal como no caso dos resíduos das
oleaginosas, são igualmente utilizados no fabrico de rações animais, atingindo um preço de
mercado cerca de 114 €/tonelada. A excepção surge da casca de arroz, uma vez que não é
permitida a sua incorporação no fabrico de rações, devido ao elevado teor em sílica. Este
factor torna também difícil a sua utilização para combustão devido às cinzas.
Foi realizada uma estimativa dos resíduos produzidos, tendo por base a média do consumo de
matérias primas no sector agro-industrial entre 1997 e 1999, a qual é apresentada na tabela 23.
Através dos resultados obtidos, concluiu-se que a produção de resíduos lenhosos na agro-
indústria é cerca de 872 mil toneladas secas/ano. Como se pode observar da tabela 23 grande
parte dos resíduos apresentam um preço elevado ou humidade elevada.
48
Tabela 23: Resíduos da agro-indústria
Actividade Resíduos (mil ton. secas/ano)
Período Preço (€/ton.)
Observações
Resíduos de laranja 2 Novembro – Abril
109.74 Humidade elevada (~80%)
Resíduos de pêssego
< 0.5 Abril – Outubro
Tomate para a indústria
13 Junho – Setembro
Humidade elevada (~80%)
Polpa de beterraba 19 Junho – Outubro
154.50 Usado no fabrico de rações
Farinha de trigo 209 Todo o ano 114.72 Usado no fabrico de rações
Farinha de centeio 7 Todo o ano Usado no fabrico de rações
Secagem de arroz 45 Todo o ano Elevado teor em sílica Usado como abrasivo
Farinha de milho 14 Todo o ano Usado no fabrico de rações
Bagaço de azeitona 61 Novembro – Fevereiro
Pode ser usado em combustão
Bagaço de soja 308 Todo o ano 214.48 Usado no fabrico de rações
Bagaço de girassol 138 Todo o ano 139.66 Usado no fabrico de rações
Casca de amêndoa 1 Todo o ano Usado como combustível
Casca de pinhão 12 Maio – Dezembro
19.95 Usado como combustível
Casca de amendoim < 0.5 Todo o ano Usado como combustível
Caroço de marmelo < 0.5 Outubro – Novembro
Humidade elevada (~80%)
Caroço de azeitona 1 Outubro – Novembro
Usado como combustível
Resíduos da cerveja 15 Todo o ano Humidade elevada (~80%)
Engaços do vinho 27 Setembro Usado como combustível
TOTAL 872
Os resíduos que têm aplicação para combustão são actualmente utilizados quase
integralmente e correspondem a 41 mil toneladas secas/ano, representando uma contribuição
muito menor que as identificadas nas secções anteriores.
49
2.5 – Avaliação dos resíduos com possibilidade de queima
Tendo em conta os sectores contemplados no presente estudo, concluiu-se que a
disponibilidade de resíduos de biomassa em Portugal não se restringe apenas à floresta. De
facto, verifica-se que outros sectores apresentam grandes produções de resíduos que, por um
lado constituem um problema para o empresário, uma vez que é necessário dar um fim
conveniente, mas por outro representam uma fonte de energia de baixo custo, caso seja
utilizada. A estimativa realizada na presente tese indica que a produção nacional de resíduos
lenhosos de biomassa é cerca de 5630 mil toneladas secas/ano, no entanto, verificou-se que
em certos casos, estes resíduos apresentam diferentes formas de aproveitamento.
Na indústria de transformação da madeira, a maior parte dos resíduos produzidos são
utilizados para o fabrico de contraplacados e MDF, enquanto que noutros sectores a grande
parte dos resíduos são reutilizados dentro da própria fábrica como fonte de energia, como é o
caso da indústria transformadora da cortiça.
Na agro-indústria, verifica-se que o destino final a dar aos resíduos depende essencialmente
da sua humidade e valor nutritivo, tendo-se verificado que em certos casos são vendidos como
matéria-prima para as fábricas de rações, enquanto que noutros são utilizados como fonte de
energia pelas indústrias locais, como é o caso da casca dos frutos secos. A grande maioria das
agro-indústrias, devido ao facto de transformarem produtos vegetais com elevado teor de
humidade, apresenta resíduos de biomassa igualmente com elevado valor. Este facto, se por
um lado condiciona seriamente a sua utilização em combustão, por outro oferece boas
condições para a produção de energia através de outros sistemas, como é o caso da produção
de bioetanol ou biogás.
Ao longo do trabalho verificou-se que muitos dos resíduos produzidos actualmente
apresentam diferentes tipos de aproveitamento, mas existe ainda uma importante parcela que
apresenta condições técnicas e, possivelmente, económicas para utilização como fonte de
energia, através da sua combustão directa ou através da sua densificação para combustão
posterior.
A tabela 24 apresenta um quadro-resumo com os valores estimados para a quantidade de
resíduos disponíveis para utilização em combustão, com base nos resíduos totais produzidos
50
nos diferentes sectores, exceptuando os resíduos com valor comercial, com humidade elevada
e os que possuem actualmente utilidade dentro ou fora da própria indústria. É apresentada,
conjuntamente, uma previsão acerca da época do ano em que esses resíduos poderão estar
disponíveis, por forma a retirar conclusões acerca da sua periodicidade.
Tabela 24: Disponibilidade de resíduos de biomassa para combustão
Resíduos Quantidade disponível (mil ton. secas/ano)
Período
Resíduos florestais1 988 Todo o ano
Caules de milho e girassol 829 Agosto - Outubro
Podas de árvores de fruto, olival2 e vinha
603 Dezembro – Janeiro
Bagaço de azeitona 61 Novembro - Fevereiro
Transformação da madeira e cortiça
147 Todo o ano
TOTAL 2628 1 corresponde à produção anual de resíduos, seguindo o método 2, excepto os resíduos com valor
comercial e os resíduos consumidos pela Central Termoeléctrica de Mortágua 2 no caso do olival considerou-se apenas a fracção dos ramos sem valor comercial, ou seja, cerca de
metade do total obtido
Verificou-se que existe uma grande produção de resíduos com possibilidade de utilização em
sistemas simples de produção de energia, como é a combustão, com disponibilidades anuais
de cerca de 2628 mil toneladas secas/ano.
Tal como se pode observar pela figura 6, verificou-se que a disponibilidade anual dos
resíduos de biomassa apresenta grandes variações ao longo do ano, devido essencialmente ao
carácter sazonal de certos ramos de actividade. Durante os meses de Abril a Junho a
disponibilidade de resíduos é cerca de 284 mil toneladas secas, provenientes essencialmente
das operações florestais e das indústrias da madeira e cortiça, desenvolvidas equitativamente
ao longo do ano. Durante os meses de Julho a Setembro, a disponibilidade é cerca de 1112
mil toneladas secas, provenientes das indústrias florestais e colheita das culturas temporárias,
nomeadamente girassol e milho. Durante os meses Outubro a Dezembro a disponibilidade é
cerca de 918 mil toneladas, provenientes das indústrias florestais e das podas das culturas
permanentes, nomeadamente da vinha, árvores de fruto e do olival. No caso do olival, devido
à grande procura dos ramos de maior diâmetro para utilização em lareiras domésticas, apenas
51
foi contabilizada a biomassa correspondente aos ramos de menor dimensão e sem valor
comercial, ou seja, cerca de metade da massa total obtida após a poda. Finalmente, durante os
meses Janeiro a Março a disponibilidade é cerca de 314 mil toneladas, provenientes das
indústrias florestais, podas e do bagaço de azeitona.
Figura 6: Disponibilidade dos resíduos de biomassa ao longo do ano
0
200
400
600
800
1000
1200
Janeiro -Março
Abril -Junho
Julho -Setembro
Outubro -Dezembro
Período
mil
ton.
sec
as
Face aos valores obtidos na avaliação da disponibilidade dos resíduos (tabela 24) e a sua
distribuição ao longo do tempo (figura 6), verificou-se que esta apresenta algumas oscilações
ao longo do ano, relacionadas essencialmente com o ciclo das operações agrícolas. É, no
entanto, possível concluir que apesar destas variações, a oferta é extremamente abundante,
existindo condições técnicas suficientes para a instalação de indústrias capazes de aproveitar
estes resíduos de forma útil. Obviamente, para tirar conclusões mais alargadas será necessária
a realização de estudos de viabilidade económica, os quais não foram contemplados na
presente tese.
Tendo em conta as diferenças na composição dos resíduos obtidos nos diferentes sectores e a
irregularidade na oferta ao longo do ano, a densificação do material poderá ser um importante
meio de homogeneização do combustível para subsequente utilização. Esta homogeneização é
indispensável quando se fala do aproveitamento destes resíduos para combustão, uma vez que
estão em causa combustíveis de natureza diferentes e com composições químicas diferentes
(ex. teor em cinzas), que poderá levar ao funcionamento irregular da instalação térmica.
52
De facto, actualmente estão a ser desenvolvidos grandes esforços no Alentejo para a
implementação de uma unidade de produção de briquetes/pellets a partir do bagaço de
azeitona, podas de oliveira e sarmentos de vinha, com uma capacidade inicial de 9000
toneladas/ano de briquetes/pellets (Sobral, 2000). A concretização deste projecto, iria
contribuir para a criação de postos de trabalho numa região altamente deficitária de
oportunidades de emprego e, por outro lado, seria um importante contributo para o
aproveitamento energético eficaz de resíduos com valor comercial praticamente inexistente,
que todos os anos são queimados no terreno, como é o caso dos ramos das podas. A
possibilidade da instalação de uma linha de produção de pellets foi uma das motivações para a
realização de ensaios numa caldeira doméstica, apresentados nos próximos dois capítulos.
53
3 – Metodologia dos ensaios na caldeira
Tal como referido no capítulo anterior, a utilização da biomassa densificada apresenta-se
como um combustível de grande interesse, com algumas melhorias relativamente à madeira.
As pellets de biomassa são utilizadas desde os anos 1970 nos Estados Unidos, tendo-se
tornado mais importantes na Europa a partir dos anos 90, devido à introdução do imposto
sobre as emissões de dióxido de carbono. Verificou-se que existe pouca informação
disponível na literatura aberta, podendo ser devido ao facto da biomassa apresentar um lugar
secundário relativamente a outras fontes de energia e ao facto de ser um tema novo, pelo qual
a sua investigação ainda não se encontra muito divulgada.
Neste capítulo será realizada uma pequena descrição da caldeira doméstica utilizada na
presente tese, assim como a metodologia adoptada e a instrumentação utilizada na avaliação
do seu desempenho energético e ambiental, utilizando diferentes tipos de pellets como
combustível.
3.1 - Descrição da caldeira utilizada
A caldeira utilizada, da marca ECOFOREST modelo ECOAGUA, foi gentilmente cedida pela
empresa TEPAL e apresenta as seguintes características: 895mm de altura, 660mm de largura,
630mm de comprimento, 160kg de peso e capacidade para 60kg de pellets (figura 7).
Figura 7: Caldeira ECOAGUA
54
O abastecimento de pellets (figura 8) é feito manualmente através da colocação do
combustível no tegão de abastecimento, localizado na parte superior da caldeira (figura 9).
Figura 8: Pellets utilizadas Figura 9: Tegão de abastecimento
Fonte: ECOFOREST (2001)
Por sua vez, o transporte de pellets para a câmara de combustão é feito através de um parafuso
sem-fim accionado por impulsos, com velocidade regulada através dum pequeno comando
colocado na face direita na caldeira e de acordo com 9 posições pré-definidas, nomeadamente
de 1 a 9 (HI) (ECOFOREST, 2001).
A figura 10 apresenta um esquema da caldeira, identificando a localização do cesto, porta-
cesto, gaveta de remoção de cinzas, ignitor, entrada de ar e painel de comandos.
Figura 10: Esquema da caldeira ECOAGUA
Fonte: ECOFOREST (2001)
As pellets transportadas, ao entrar na câmara de combustão caem por gravidade, através duma
pequena abertura, num pequeno cesto colocado centralmente na parte inferior da câmara de
combustão (figura 10).
Cesto
Porta-cesto
Gaveta de remoção de cinzas
Painel de comandos
Entrada de ar
Ignitor
55
A ignição das pellets é realizada através de uma resistência eléctrica colocada no lado direito
do cesto referido anteriormente, a qual aumenta a sua temperatura até ficar incandescente. Por
sua vez o aquecimento das pellets dá-se por radiação e convecção de ar, originando a ignição
e a consequente propagação da chama à totalidade das pellets presentes no cesto.
As cinzas produzidas durante a combustão caem por gravidade numa pequena gaveta
colocada na parte inferior da caldeira, tendo estas sido retiradas no final de cada dia de
ensaios (figura 10). A extracção dos gases de dentro da caldeira é realizada através de um
extractor centrífugo colocado junto da entrada da tubagem de exaustão, o qual pode ser
controlado pelo comando referido anteriormente. A velocidade do extractor pode variar de
acordo com 19 posições pré-definidas, numa escala de -9 a 9 (ECOFOREST, 2001). Para
além da regulação referida, a velocidade do extractor é controlada automaticamente, como é o
caso do arranque da combustão e o ajuste automático de acordo com a carga da caldeira
(ECOFOREST, 2001).
3.2 – Descrição da instrumentação utilizada
A caldeira foi colocada num ambiente com temperatura constante (aproximadamente 23-
25ºC), com a parte posterior a cerca de 50 cm da parede e a face direita a cerca de 1m da
parede, de modo a permitir os ajustes necessários à realização dos ensaios. Para o transporte
dos gases de exaustão, foi colocada uma tubagem em alumínio com 10cm de diâmetro na
saída dos gases da caldeira e com ligação ao sistema de exaustão do Laboratório de Análise
de Sistemas Industriais de Queima (LASIQ), no Instituto Superior Técnico.
A instalação de teste da caldeira é apresentada na figura 11, onde se identifica a caldeira assim
como o permutador de calor utilizado para dissipar o calor produzido e para a realização do
balanço térmico. Este permutador recebia a água quente produzida no interior da caldeira,
arrefecendo-a através da utilização da água da rede (aproximadamente a 21-23ºC). Após
arrefecimento, a água era reenviada para a caldeira.
Para a avaliação de comportamento da caldeira foram realizadas medições de temperatura,
composição dos gases de exaustão e de consumo de combustível, pelo que foi necessário
proceder a algumas alterações para a colocação dos respectivos sensores. A caldeira foi
56
instalada sobre uma pequena báscula com uma resolução de 0.02kg, com o objectivo de
avaliar a taxa de consumo de pellets (WI1 na figura 11).
Figura 11: Representação esquemática da instalação
A válvula V1 da figura 11 representa uma válvula manual de globo, utilizada para o ajuste da
pressão da água no interior da caldeira no início do seu funcionamento, permanecendo
fechada durante os testes. As válvulas V2 e V3 representam válvulas manuais de globo,
utilizadas para regulação do caudal da água da caldeira e do circuito da água de refrigeração,
respectivamente. Os caudais de ambos os circuitos foram medidos através de dois rotâmetros,
tendo sido registados os valores de 1112 litros/h e 874 litros/h para o circuito da água da
caldeira e para o circuito da água de refrigeração, respectivamente (FI1 e FI2 na figura 11).
No circuito da caldeira, a temperatura de entrada e a de saída do permutador de placas foram
registadas através de dois termopares do tipo K com 2mm de diâmetro, designados por TI3 e
TI4 na figura 11. A medição da temperatura do circuito de água externa, foi realizada através
de dois termopares do tipo K com 2 mm de diâmetro, designados na figura 11 por TI1,
colocado na entrada de água, e TI2, colocado na saída da água.
Em determinados testes, estas temperaturas foram igualmente medidas com termopares do
tipo E com 0.5mm de diâmetro, com o objectivo de avaliar o rigor das leituras obtidas. Com
estes termopares confirmaram-se os valores médios obtidos, verificando-se como esperado
57
que os termopares de maior diâmetro produziam valores com menor variação, tendo estes sido
escolhidos. Um termopar do tipo E (TI5 na figura 11), com 1.5mm de diâmetro foi
permanentemente instalado na tubagem de exaustão dos gases de combustão. Os valores
analógicos obtidos foram transmitidos através de um conversor A/D para um computador, em
cada 10 segundos, tendo sido registados valores médios em cada 5 minutos, durante a
realização dos ensaios. A tabela 25 apresenta um resumo das características dos termopares
utilizados na instalação.
Tabela 25: Identificação dos termopares
Código Tipo Diâmetro Localização
TI1 K 2mm Entrada de água de arrefecimento no permutador
TI2 K 2mm Saída de água de arrefecimento do permutador
TI3 K 2mm Entrada de água da caldeira no permutador
TI4 K 2mm Saída de água da caldeira do permutador
TI5 E 1.5mm Temperatura dos gases de exaustão
TI6 E 0.5mm Temperatura dos gases de exaustão da zona esquerda da câmara de combustão
TI7 E 0.5mm Temperatura dos gases de exaustão da zona centro da câmara de combustão
TI8 E 0.5mm Temperatura dos gases de exaustão da zona direita da câmara de combustão
TI9 E 0.5mm Temperatura da zona esquerda do leito de combustão
TI10 E 0.5mm Temperatura da zona direita do leito de combustão
Para a medição da temperatura dos gases de exaustão dentro da caldeira, foram colocados
termopares no lado esquerdo, centro e no lado direito da câmara de combustão a uma altura
aproximada de 30 cm acima do leito de combustão (TI6, TI7 e TI8 da tabela 25,
respectivamente). Para medição da temperatura do leito de combustão, foram ainda colocados
dois termopares, um no lado esquerdo e outro no lado direito junto ao fundo do cesto das
pellets (TI9 e TI10 da tabela 25, respectivamente). Nos termopares utilizados nos ensaios não
foi feita a compensação das perdas por energia radiante, pelo que se prevê que as
temperaturas reais sejam ligeiramente superiores.
58
A composição dos gases de exaustão foi continuamente avaliada durante os ensaios através da
colocação de uma sonda na conduta para a recolha dos gases de exaustão. A amostra de gás
era retirada utilizando o sistema de amostragem do analisador, o qual analisa a composição
dos gases após condensação do vapor de água. A instrumentação analítica incluí um
analisador magnético de pressão para as medições de O2, analisadores infravermelhos não
dispersivos de gás para as medições de CO2 e CO e um analisador de quimioluminiscência
para as medidas de NOX (figura 12). Foram realizadas calibrações do zero e da escala, com
misturas standard antes e após cada sessão de medidas. O valor máximo dos desvios durante
a calibração encontrou-se dentro do intervalo ± 2% da escala máxima.
Figura 12: Analisador dos gases de exaustão Figura 13: Computador e data logger
Tal como na recolha de valores da temperatura, a saída analógica dos analisadores foi
transmitida, através de conversores A/D, para um computador onde os sinais foram
processados e realizadas médias em cada 30 segundos de amostragem (figura 13).
Foram desenvolvidos esforços no sentido de eliminar pontos de fuga de gases enquanto a
caldeira estivesse em funcionamento, através da selagem de todas as juntas e da janela de
visita.
No início dos testes, foram realizadas algumas tentativas para a instalação de uma placa de
orifício calibrado na conduta de admissão de ar. No entanto, a perda de carga induzida foi
significativa, pelo que o caudal de admissão de ar foi influenciado, conforme foi possível
observar pelos valores da concentração de oxigénio nos gases. Por este motivo, a taxa de
consumo de ar teve de ser estimada, com base na taxa de consumo de pellets, na sua
59
composição e na composição dos gases de exaustão. Consequentemente, o caudal de gases de
exaustão é daqui em diante calculado, através da equação 14:
1
2
2
.).(
+=+
=F
A
M
X
M
X
M
X
m
m
CO
CO
CO
CO
C
raC
Pellets
Gas
&
& (14)
desprezando a perda de carbono através dos inqueimados. Nesta expressão XCO e XCO2 são as
fracções mássicas nos produtos de combustão em base húmida. A fracção volumétrica de
água foi estimada com base nas fracções volumétricas medidas (YCO, YCO2)db e na relação
molar entre o carbono e o hidrogénio (C/H2) nas pellets (húmidas) através da equação 15:
( )
1
2 12
2
−
++
=dbCOCO
OH YY
H
C
Y (15)
assumindo a conversão completa do hidrogénio da biomassa e desprezando a humidade do ar.
3.3 – Metodologia dos ensaios
Os ensaios realizados com a caldeira tiveram por objectivo, não só avaliar o seu desempenho
em condições estacionárias de funcionamento, mas também durante a fase de arranque da
combustão, utilizando os diferentes tipos de pellets disponíveis em ambas as situações.
Nos ensaios em condições estacionárias foi avaliado o desempenho da caldeira mantendo
constante a temperatura do circuito de água, abaixo de 40ºC. Em condições reais a capacidade
de dissipação do sistema de aquecimento alimentado pela caldeira pode ser menor que a
capacidade da caldeira, funcionando então esta em períodos interrompidos, regulados através
de um termostato presente no circuito de água da caldeira. Em condições reais, a temperatura
da água na saída da caldeira é, em sistemas de aquecimento central, cerca de 75ºC, sendo um
resultado do sistema de dissipação de calor. Num estudo similar, Granada et al. (2002)
concluíram que a temperatura da água na caldeira tinha uma influência pequena na eficiência,
apesar de esta ser observável.
60
Os caudais seleccionados conduziram a uma temperatura baixa da água no circuito de água da
caldeira, com o efeito de maximizar a eficiência da caldeira e de possivelmente aumentar as
emissões de CO. Outra motivação para utilizar a temperatura seleccionada foi a
uniformização de valores, de uma forma simples, independentemente da carga. Desta forma
foram realizados ensaios alterando os seguintes parâmetros: i) variação do caudal de
abastecimento de pellets, ii) variação do ventilador da câmara de combustão e iii) variação
do ventilador com o abastecimento de pellets em regime máximo. Nos ensaios em regime
estacionário foram tomadas providências para que os resultados obtidos não sofressem
influência das variações de condições, pelo que foi atribuída uma margem de tempo nunca
inferior a 30 minutos para que a caldeira apresentasse oscilações mínimas. Em cada regime de
funcionamento foram registados valores em cada 5 minutos e, no mínimo, foram realizados
cinco registos para cada condição de funcionamento. Na análise dos resultados apresentam-se
estimativas dos erros máximos que podem surgir devido à instrumentação, sendo estes valores
comparados com as variações observadas durante os ensaios.
Os ensaios referentes à fase de arranque, tal como os ensaios realizados em regime
estacionário, foram realizados para cada um dos lotes de pellets disponíveis, com o objectivo
de avaliar a evolução da combustão numa fase extremamente crítica como é a do arranque.
Nos ensaios de arranque, procedeu-se à ignição através do isqueiro eléctrico da caldeira e
foram registados valores até apresentar variações desprezáveis ao longo do tempo. Durante
este intervalo de tempo foram realizadas medições, com intervalos de 30 segundos, das
temperaturas de gases em diferentes pontos, temperatura no leito da combustão e
concentrações gasosas nos gases de exaustão.
Para além da aquisição dos dados das espécies e temperaturas, foram ainda determinados
valores médios em sequências de ensaios com o mesmo tipo de pellets para a quantidade de
finos que permaneciam no tegão de abastecimento de pellets e a quantidade de inqueimados
acumulados no cinzeiro da caldeira. Estas últimas amostras, recolhidas no final de uma
sequência de ensaios, foram posteriormente analisadas para determinar a fracção de
inqueimados. Deve ser referido que não foram realizadas medições relativas à quantidade de
partículas presentes nos gases de exaustão. Foi avaliada regularmente a repetibilidade dos
parâmetros da caldeira para todas as condições de funcionamento. Para os ensaios em regime
61
estacionário efectuou-se pelo menos uma repetição das mesmas condições de operação em
dias diferentes e para os ensaios de arranque efectuaram-se três ensaios, excepto para uma das
pellets. Para todos os valores medidos, apresenta-se na tabela 26 a incerteza dos resultados
associada à resolução da escala, enquanto no caso dos termopares optou-se por indicar o valor
do desvio padrão médio, conduzindo a uma incerteza de 0.13-0.65ºC para as temperaturas da
água e cerca de 9ºC para a temperatura do gás.
Tabela 26: Análise numérica das grandezas medidas
Grandeza Estimativa de erro
TI1 0.13 ºC1
TI2 0.51 ºC1
TI3 0.40 ºC1
TI4 0.65 ºC1
Termopares
TI5 8.66 ºC1
PCI (base húmida) 566 kJ/kg1
Consumo de pellets 0.02 kg2
Rotâmetro do circuito da água da caldeira
12.5 kg/h3
Rotâmetro do circuito da água de refrigeração
4.37 kg/h3
Tempo 0.01 minutos
1 corresponde ao desvio padrão das observações realizadas 2 segundo dados do fabricante 3 corresponde a 0.5% da escala máxima do rotâmetro, segundo dados do fabricante
Para todas as grandezas calculadas a partir dos valores medidos, estimou-se a sua incerteza
através de análise numérica, utilizando os valores obtidos experimentalmente que maximizam
o erro e os valores da tabela 26 como valores de erro máximo para cada variável.
O caudal de pellets foi calculado com base na variação de massa dividida pelo intervalo de
tempo entre as medições (equação 16):
t
mm pellets
pellets ∆∆
=& [em kg/h] (16)
62
onde pelletsm∆ é a variação da massa de pellets (em kg) e t∆ é a variação do tempo (em h). A
incerteza associada ao caudal foi estimada pela equação 17:
2t
m*tE
t
mEmE pelletspellets
pellets ∆∆
∆+∆
∆=& [em kg/h] (17)
tal como todas as outras grandezas, apresenta-se na tabela 27 um valor típico das incertezas
estimadas.
O cálculo da potência fornecida à caldeira foi realizado de acordo com a equação 18:
3600basehúmida pellets,pellets
input
xPCImQ
&
= [em kW] (18)
onde pelletsm& é o caudal de consumo de pellets (em kg/h), humida base pellets,CIP representa o poder
calorífico inferior das pellets, na base húmida (em kJ/kg). O cálculo da incerteza da potência
fornecida (EQinput) foi realizado através da equação 19:
36003600basehumida,pelletspelletsbasehumida,pelletspellets
input
PCI.mEEPCI.mEQ
&&
+= [em kW] (19)
onde basehumida,pelletsEPCI representa o desvio padrão médio do poder calorífico inferior das
pellets na base húmida (kJ/kg), pelletsmE & representa o desvio padrão do caudal mássico das
pellets (em kg/h) e basehumida,pelletsPCI representa o valor do poder calorífico inferior, na base
húmida (em kJ/kg).
O cálculo da potência térmica foi realizado de acordo com a equação 20:
3600
)TT.(c.mQ entradasaídaágua pcaldeira da água
output
−=
& [em kW] (20)
63
onde cp água é o calor específico da água (em kJ/kg.K), caldeira da águam& é o caudal do circuito da
água da caldeira (em kg/h), saídaT representa a temperatura de saída do circuito da água da
caldeira (correspondente ao TI4 da tabela 25), entradaT representa a temperatura de entrada do
circuito da água da caldeira (correspondente ao TI3 da tabela 25). O cálculo da incerteza da
potência da caldeira foi calculado de acordo com a equação 21 (em kW):
3600
34
3600
34 )ETIETI.(c.m)TITI.(c.mEEQ água pcaldeira da águaágua pcaldeira da água
output
++
−=
&& (21)
onde caldeira da águamE & é o erro do caudal de água da caldeira (em kg/h), ETI3 é o desvio padrão
das leituras observadas da temperatura TI3 (em ºC) e ETI4 é o desvio padrão das leituras
observadas da temperatura TI4 (em ºC).
A perda de energia pelos gases de exaustão foi calculada com base no valor estimado do
caudal, na medida das espécies químicas e na medida da temperatura dos gases, de acordo
com a equação 22:
i
i,298KTI5i,ipelletsGas M
)h(hX Σ x
m
F
AQ
−
+=3600
1&
, [kW] onde ∫ ==
T
KT pi dTch2980
(22)
onde Xi representa as fracções mássicas dos produtos de combustão em base húmida, Mi
representa as massas moleculares dos produtos de combustão (em kmol/kg), hi representa a
entalpia específica média do gás (em kJ/kmol). O cálculo da incerteza da potência cedida
pelos gases de exaustão foi realizado através da equação 23:
∆+∆
+=36003600
1 pelletsGas
pelletsGásGás
mEh
mhE
F
AEQ
&& (23)
onde E∆hGás representa o desvio padrão da variação da entalpia dos gases de exaustão (em
kJ/kg), considerando apenas a influência da incerteza na temperatura dos gases. Não se
efectuou nenhuma estimativa da influência das variações da composição que também
influenciariam o caudal de gases Gásm& . A segunda parcela considera Gash∆ , a variação média
64
da entalpia dos gases de exaustão (em kJ/kg) e pelletsmE & , o desvio padrão do caudal mássico
das pellets (em kg/h).
O cálculo de perdas devido à formação de CO foi realizado de acordo com a expressão 24:
28
))T(h)T(h()T(h)T(h
)T(h)T(h PC
.X . m
Perdas
COCOOO
COCOCO
COgas
CO
2
−−
−−−+
=0
00 2
3600
22
2&
(24)
onde XCO representa a fracção mássica de CO em base húmida, hCO2, hO2 e hCO representam as
entalpias molares do CO2, O2 e CO (em kJ/kmol), respectivamente. A parcela PCCO
representa a entalpia de formação do monóxido de carbono, com o valor 282990 kJ/kmol.
Tabela 27: Valores médios e incertezas das potências calculadas
Fonte de incertezas Valor médio
Incertezas
Caudal de pellets (kg/h) ∆mpellets, ∆tempo 2.6 0.3
Potência fornecida à caldeira (kW) ∆mpellets, ∆tempo, PCIpellets
11.8 1.9
Potência da caldeira (kW) FI2, TI3, TI4 8.8 3.3
Potência perdida pelos gases (kW) ∆mpellets, ∆tempo, TI5 2.6 0.6
A partir da tabela anterior pode-se observar que se espera uma incerteza de 16% para a
potência fornecida à caldeira, consequência directa da incerteza no caudal de pellets. A
incerteza para a potência perdida nos produtos de combustão é cerca de 23%, devido à
influência da temperatura de saída. A potência transferida para o circuito de água da caldeira
tem uma incerteza de 38%, devido à pequena diferença de temperatura no circuito da água.
3.4 – Pellets utilizadas
Os combustíveis utilizados consistiram em três lotes distintos de pellets comercializados em
Portugal, com a designação de A (proveniente de Espanha), B (proveniente do Canadá) e C
(proveniente de Espanha). Na parte final do estudo foi testado um lote de pellets proveniente
da Suécia, designado por pellets D.
65
De informações fornecidas oralmente, as pellets do tipo A são fabricadas a partir dos resíduos
produzidos na indústria do mobiliário (essencialmente madeiras exóticas), as pellets do tipo B
são fabricadas a partir de resíduos florestais (nomeadamente pinheiro), as pellets do tipo C
são fabricadas a partir de casca de pinheiro e, por fim, as pellets D são fabricadas a partir de
resíduos de serrações (essencialmente, serradura). Estas últimas são produzidas por um
método diferente, apresentando um diâmetro superior às restantes e ao recomendado pelo
fabricante para a caldeira testada, o que esteve na base do seu abastecimento irregular durante
os testes. Durante a realização dos ensaios foi realizada uma amostragem de cada um dos
lotes de pellets, sendo realizadas análises em laboratório com o fim de determinar alguns
parâmetros físicos e químicos, cujos resultados se encontram na tabela 28, nomeadamente:
� Análise elementar: carbono, hidrogénio, enxofre e azoto;
� Análise imediata: voláteis, humidade e cinza;
� Composição química: celulose, hemi-celulose e lenhina;
� Poder calorífico;
� Ponto de fractura.
A determinação da análise elementar dos diferentes lotes e do poder calorífico inferior das
pellets D foi realizada no Laboratório de Análises do Instituto Superior Técnico. As
determinações da humidade, assim como do teor de cinza nos inqueimados e nas pellets,
foram realizadas no Laboratório de Caracterização de Combustíveis (LCC) do Instituto
Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial e na Área Departamental de Ciência e
Tecnologia dos Alimentos da Escola Superior Agrária de Beja. A determinação da matéria
volátil e do poder calorífico superior das pellets A, B e C foi realizada no LCC. Por último, na
Área Departamental de Ciência e Tecnologia dos Alimentos da Escola Superior Agrária de
Beja foram ainda realizadas as determinações do ponto de fractura e do teor em celulose,
hemi-celulose e lenhina das pellets.
Os resultados obtidos são semelhantes a outros obtidos em madeira (Demirbas, 1997; Yatim
and Hoi, 1987) e em materiais densificados, como é o caso das briquetes (Tabarés et al.,
2000) e pellets (Eskilsson et al., 2002; Granada et al., 2002; Obernberger and Thek, 2002;
Palchonok et al., 2002).
66
Tabela 28: Características das pellets
A B C D
Norma
Análise elementar (%, daf)
Carbono 46.6 47.2 47.3 46.4
Hidrogénio
ASTM E777-87
6.4 6.3 6.2 6.6
Azoto ASTM E778-87 1.6 <0.3 <0.3 0.3
Enxofre ASTM E775-87 < 0.3 < 0.3 < 0.3 < 0.3
Análise imediata (%, ar)
Humidade TAPPI T264 om-88 6.8 7.1 9.3 8.3
Voláteis ASTM E897-88 74.80 78.10 73.70 n.r.2
Cinzas ASTM D1102-84 0.68 0.28 0.38 0.49
Composição química (%, daf)
Celulose 45.74 51.10 47.88 44.21
Hemi-celulose 22.57 16.79 18.17 19.85
Lenhina
método Van Soest
22.90 27.40 23.71 21.94
PCI (kJ/kg, base húmida)
ASTM D2015-77 16857 16364 16360 16340
Dimensões médias (mm)
Diâmetro 6 6 6 8
Comprimento 13 19 16 17
Ponto de fractura1 (em Newton)
Dias et al., 2002 206.09 241.67 118.97 68.31
1 obtido pelo método da sonda cilíndrica de 2 mm Ø 2 análise não realizada
Verificou-se que todas as pellets apresentam uma composição muito semelhante e com teores
de enxofre muito baixos. A principal diferença na sua composição química reside no teor em
azoto, o qual é mais elevado para as pellets A, uma vez que incluem resíduos de madeira da
indústria do mobiliário. As pellets D apresentaram uma maior facilidade para a fractura,
conforme se pode verificar pelo valor do ponto de fractura (tabela 28). Deve ser referido que
os sacos de transporte das pellets D apresentaram um teor de finos muito superior quando
comparado com as restantes pellets.
67
3.5 – Transferência de energia na caldeira
Nesta secção apresentam-se elementos básicos de transferência de calor por convecção e por
radiação de modo a poder realizar-se uma estimativa da importância relativa destes
mecanismos.
Figura 14: Esquema simplificado da caldeira (unidades em cm)
34
5 24 5
20
13 24
18
33
6 7 5
16
20
Vista frontal Vista lateral
No cálculo da transferência de energia por radiação considerou-se um modelo muito
simplificado da caldeira, tendo em conta apenas as superfícies mais relevantes para a
transferência de energia radiante, nomeadamente tecto da câmara de combustão, leito da
câmara de combustão e superfícies adiabáticas. As dimensões aproximadas da região da
caldeira envolvida na transferência de energia radiante encontram-se na figura 14 .
Nesta abordagem considerou-se como tecto da câmara de combustão, a zona de entrada do
escoamento nos tubos de passagem de água da caldeira. O leito da câmara de combustão é a
região onde se processa a combustão das pellets, com a consequente emissão de energia
radiante, que se considerou ser totalmente transferida para os tubos da caldeira. Na realidade
existem algumas perdas de calor pelas superfícies laterais e principalmente pela janela que
foram desprezadas. Deste modo a radiação é transferida entre o leito e os tubos de uma forma
68
directa e através das restantes superfícies que se consideraram adiabáticas ou re-radiantes,
permitindo definir o análogo eléctrico apresentado na figura 15. O gás na câmara de
combustão absorve parte da radiação transferida e emite também radiação. O valor da
emissividade para a composição e temperaturas medidas foi da ordem de 0.1 pelo que o seu
efeito na absorção da radiação transferida é pequena. Por outro lado como o gás poderá atingir
temperaturas superiores às do leito, pode aumentar a radiação fornecida aos tubos em relação
a esta estimativa.
Figura 15: Representação das trocas radiativas entre as superfícies da caldeira
Leito de combustão Tubos
Superfícies adiabáticas
Com esta estimativa pretendeu-se acima de tudo obter um valor para a energia radiante
máxima possível, tendo em conta as condições de funcionamento da caldeira e a sua
geometria. Para realizar um cálculo mais real, seria necessário realizar medições de
temperatura mais rigorosas com outro tipo de instrumentação que não se encontrava
disponível durante o período de realização dos ensaios. Na presente estimativa foram
consideradas as dimensões da caldeira apresentadas no esquema da figura 14, assumindo
valores máximos para a emissividade das superfícies consideradas (tabela 29):
Tabela 29: Propriedades das diferentes superfícies da caldeira
Superfícies Área (m2) εεεε
Tecto da câmara de combustão 0.0612 1.0
Leito da câmara de combustão 0.0144 1.0
Superfícies adiabáticas 0.3900 -
A tabela 30 apresenta os factores de forma Fij para a caldeira, calculados a partir das
dimensões apresentadas na figura 14 e a partir das expressões para cálculo de factores de
forma entre superfícies paralelas e superfícies perpendiculares (Azevedo, 2000).
69
Tabela 30: Factores de forma
j Tecto
Leito combustão
Superfícies reflectoras
Soma
Tecto - 0.043 0.957 1.000
Leito combustão 0.178 - 0.822 1.000
Superfícies adiabáticas 0.150 0.030 0.820 1.000
Com base no análogo eléctrico apresentado, a troca de calor entre o leito e o tecto pode ser
calculado a partir da expressão 25 (Incropera and DeWitt, 1990):
( ) ( )[ ]( )44
1
1
11
111
TL
TT
T
TRTLRLLTLLL
L
TT..
AFA/FA/FAA
Q −
−+
+++
−=
−
σ
εε
εε [em W] (25)
onde Q é a energia recebida pelo tecto (em W), εL é a emissividade do leito, εT é a
emissividade do tecto, AL é a área do leito de combustão da caldeira (em m2), FLT é o factor de
forma do leito para o tecto, AT é a área do tecto (em m2), FLR é o factor de forma do leito para
as superfícies adiabáticas, FTR é o factor de forma do tecto para as superfícies adiabáticas, σ é
a constante de Stefan-Boltzmann (5.670x10-8 W/m2.K4), TL é a temperatura do leito de
combustão (em K) e TT é a temperatura do tecto (em K).
Tendo em conta as constantes εL = εT = 1 (tabela 29), a expressão anterior pode escrever-se da
seguinte forma (equação 26):
).(.11
1 44TL
TRTLRL
LTL TT
FAFA
FAQ −
++= σ [em W] (26)
O cálculo da transferência de calor por convecção dos produtos de combustão para a
superfície dos tubos foi calculado a partir da equação 27, desprezando a resistência térmica
por condução na parede do tubo:
i
70
LN
intint
ext
ext
T.F.A.
hD
D
h
Q ∆
+=
11
[em W] (27)
onde hext é o coeficiente de convecção de ar no exterior dos tubos (em W/m2K), hint é o
coeficiente de convecção da água dentro dos tubos (em W/m2.K), A é a área da superfície
externa dos tubos (em m2), ∆TLN é a diferença de temperatura média logarítmica e F é o factor
de correcção para a diferença média de temperatura efectiva. Considerando que a temperatura
da água tem uma variação muito pequena, pode-se aproximar este factor por 1. A área de
transferência para a convecção foi calculada com base nos tubos que se conseguiram observar
pela parte interior da caldeira, no entanto não foi possível a confirmação do seu número
exacto junto do fabricante.
O cálculo do coeficiente de convecção de ar no exterior dos tubos (hext) foi realizado a partir
da expressão 28:
D
kNuh
k
DhNu Dext
extD .
.=⇔= [em W/m2K] (28)
onde k é a condutividade térmica do ar (W/m.K), D é o diâmetro exterior dos tubos (em m) e
DNu é a correlação do número de Nusselt, calculado segundo a expressão 29:
NT.m
DD CPrReCNu 360= (29)
onde C e m são parâmetros em função do arranjo dos tubos e do número de Reynolds, ReD,
que é calculado com a velocidade máxima no feixe dos tubos. Para o arranjo de tubos
considerados os valores são C = 0.683 e m = 0.466, para 102 < Re < 103, e C = 0.27 e m = 0.63
para 103< Re <2*105. CNT é um factor correctivo utilizado para ter em conta o efeito de um
número pequeno de tubos na direcção do escoamento que neste trabalho foi considerado
como CNT = 0.92. O cálculo do coeficiente de convecção da água no interior dos tubos (hint)
foi realizado a partir da equação 30:
71
intDint
intintD D
k.Nuh
k
D.hNu =⇔= [em W/m2.K] (30)
onde k é a condutividade térmica da água (W/m.K), Dint representa o diâmetro interior do tubo
(em m) e NuD é o número de Nusselt calculado com base na correlação de Dittus-Boelter
(equação 31):
n/DD PrRe.Nu 540230= (31)
onde n = 0.4 no aquecimento (Incropera and DeWitt, 1990).
Para além da análise da transferência de calor pelos modelos simples expostos, pode-se
avaliar o calor transferido por convecção, efectuando um balanço de energia ao caudal de
gases que atravessa os tubos da caldeira, através da equação 32:
)TT.(c.m
Q saídaGásentrada Gásgases pgas −=
3600
& [em W] (32)
onde Q é a energia cedida pelos gases (em W), TGás entrada é a temperatura dos gases no topo da
câmara de combustão, antes da passagem pelos tubos (em ºC) e TGás saída é a temperatura dos
gases à saída da caldeira, depois da passagem pelos tubos (em ºC).
72
4 – Resultados obtidos na caldeira
Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos na avaliação do comportamento
energético e ambiental da caldeira utilizada na presente tese, operando em condições
estacionárias e durante a fase de arranque. Esta avaliação irá incidir na interpretação dos
resultados obtidos no balanço de energia e na monitorização da evolução das diferentes
espécies gasosas dos gases de exaustão.
4.1 – Ensaios em regime estacionário
4.1.1 – Rendimento térmico da caldeira
Nesta secção apresenta-se a estimativa do rendimento térmico da caldeira, utilizando o
método directo, isto é, estimam-se a potência fornecida e a potência térmica útil. Este
rendimento foi calculado com base nos balanços de energia realizados para os dois circuitos
do permutador de calor – água da caldeira e água de refrigeração - onde se verificou uma boa
correlação conforme ilustrado na figura 16 e por este motivo o cálculo do rendimento térmico
da caldeira foi realizado em função do balanço de energia da água da caldeira.
Figura 16: Correlação entre o circuito da caldeira e o da água de refrigeração
2
4
6
8
10
12
14
2 4 6 8 10 12 14
Circuito da caldeira (kW)
Circ
uito
de
refri
gera
ção
(kW
)
Como se tinha observado no ponto 3.3, a potência térmica apresentou uma grande incerteza
(38%) mas constatou-se que nas medições efectuadas o desvio padrão médio foi 5%, o que se
pode atribuir à grande inércia térmica. Para o caso da potência fornecida e das perdas de
energia pelos gases de exaustão, observaram-se valores superiores para o desvio padrão (cerca
73
de 15-17%), mais próximos dos valores estimados de incerteza (21-23%).
Tabela 31: Desvio padrão e estimativa da incerteza
Parâmetros Potência fornecida
Potência térmica
Perdas nos gases de exaustão
Gama de valores medidos (kW) 5.1 - 12.2 3.0 - 13.2 1.4 - 3.7
Desvio padrão (kW) 1.5 0.4 0.4
Incerteza (kW) 1.9 3.3 0.6
A figura 17 apresenta a potência térmica da caldeira em função da potência fornecida, de
acordo com as expressões 18 e 20. Neste gráfico foram tidas em conta a média e o desvio
padrão de todos os ensaios realizados nas diferentes condições de funcionamento da caldeira,
incluindo variações na regulação do caudal do ventilador para cargas iguais, tendo-se
verificado uma correlação quase linear. Com base nestes resultados, pode concluir-se que o
rendimento da caldeira, baseado no poder calorífico inferior do combustível, é cerca de 65 a
77%, relativamente a uma potência térmica de 3 a 13kW. Estes valores são superiores aos
observados por Granada et al. (2002) que obtiveram um valor máximo de 60% para uma
caldeira do mesmo tipo da usada neste estudo, mas operando com uma temperatura da água
de 75ºC. Mais comparações com os valores obtidos por aqueles autores serão incluídas na
secção seguinte.
Figura 17: Potência térmica da caldeira
y = 0.821x - 0.838
0
2
4
6
8
10
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18
Potência fornecida (kW)
Po
tênc
ia té
rmic
a (k
W) Média
Desvio padrão
74
4.1.2 – Perdas na caldeira
Para caracterizar as perdas de energia na caldeira, são apresentados valores para perdas de
energia devido ao calor sensível dos gases de exaustão, perdas de energia devido à formação
de monóxido de carbono e perdas de energia no carbono inqueimado recolhido no colector de
cinzas por baixo do cesto das pellets.
As perdas de calor nos gases dependem da sua temperatura que é apresentada em função da
potência fornecida, na figura 18. Os resultados obtidos permitiram concluir que existe uma
correlação linear entre estes valores, verificando-se que existem poucos ensaios que
apresentam um desvio superior à incerteza estimada. O aumento da temperatura de saída dos
gases com a potência resulta de se atingirem maiores temperaturas devido à menor
estequiometria (analisada na secção 4.1.3) e ao menor tempo de residência dos gases na
caldeira permitindo trocar menos calor.
Figura 18: Temperatura dos gases em função da potência fornecida
0
100
200
300
400
4 6 8 10 12 14 16 18
Potência fornecida (kW)
Gas
es d
e ex
aust
ão (
ºC)
TIPO A
TIPO B
TIPO C
TIPO D
A figura 19 apresenta as perdas por calor sensível em função da potência fornecida. Os
valores observados apresentaram uma maior dispersão do que na figura 17, mas pode
igualmente ser ajustada a uma equação linear. A dispersão de pontos pode ser atribuída à
inclusão neste gráfico de vários valores registados em diferentes condições de velocidade do
ventilador, sob dois diferentes regimes de carga da caldeira e, portanto, o excesso de ar é
diferente para cargas semelhantes. A partir da correlação obtida podem estimar-se as perdas
de calor sensível nos gases entre 32% e 20% da potência fornecida, quando a potência útil da
caldeira varia entre 3 e 13kW.
75
Figura 19: Perda de energia nos gases de exaustão
y = 0.162x + 0.7358
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
4 6 8 10 12 14 16 18
Potência fornecida (kW)
Per
das
nos
gas
es (
kW) Média
Desvio padrão
A tabela 32 apresenta alguns dados medidos relativos à combustão incompleta das pellets
colocadas no tegão de abastecimento, em função da potência fornecida. Tal como pode ser
observado, a quantidade de finos no tegão foi muito inferior nas pellets B, o que se pode
correlacionar com os maiores valores registados para o ponto de fractura (tabela 28).
Observou-se que as pellets D apresentam maior quantidade de finos no tegão e abaixo do
cesto do que as restantes, possivelmente devido ao facto do seu diâmetro ser superior ao
recomendado para a presente caldeira, o que poderá estar igualmente na base, em alguns
casos, da fraca eficiência do sistema de transporte, acumulando maior quantidade de finos.
Tabela 32: Dados referentes à combustão incompleta
Pellets A B C D
Finos presentes no tegão de abastecimento (% mássica)
1.8 0.26 2.0 2.8
Partículas recolhidas na gaveta de cinzas (% mássica)
0.39 0.37 0.38 0.55
Carbono inqueimado nas partículas recolhidas na gaveta de cinzas (% mássica)
16.6 15.6 32.5 41.5
Perda de energia nos finos (% potência fornecida)
0.13 0.12 0.25 0.46
Perda de energia devido à formação de CO nos gases de exaustão (% potência fornecida)
0.92 0.92 0.92 1.94
A quantidade de finos recolhidos na gaveta de cinzas foi semelhante para as pellets A, B e C,
mas foi superior no caso das D. Este facto pode ser resultado de uma combinação de
76
diferentes efeitos, como é o caso da maior quantidade de finos no tegão e dos valores de
excesso de ar verificados. A fracção de carbono inqueimado nas cinzas de fundo foi superior
nas pellets C e D, levando a maiores perdas na combustão devido a inqueimados, tal como se
pode observar na tabela 32. A massa de cinzas recolhidas abaixo do leito das pellets foi
calculada com base na tabela 28 e observou-se que representam cerca de 0.3% da massa das
pellets consumidas para as pellets A, B e D e cerca de 0.25% para as pellets C. No caso das
pellets B este valor corresponde à quantidade total de cinzas nas pellets e, portanto, prevê-se
que a quantidade de cinzas volantes apresentem neste caso o valor mais baixo. Prevê-se para
as pellets A a maior quantidade de cinzas volantes.
Tal como mencionado anteriormente, não foram medidas as partículas nos gases e,
consequentemente, as perdas energéticas associadas não foram quantificadas. De facto, este
deverá ser um aspecto a ter em conta em trabalhos futuros, uma vez que as partículas
emitidas, para além de constituírem uma perda de energia, têm grande importância em termos
de emissões. No entanto, deve ser referido que foi observada uma grande quantidade de finos
na saída da conduta de exaustão, assim como um grande depósito de partículas nos tubos da
caldeira, o qual era removido diariamente.
As perdas de energia associadas com a formação de CO foram calculadas a partir dos valores
medidos e os resultados são igualmente apresentados na tabela 32. Esta perda de energia
representa cerca de 1% para as pellets A, B e C, enquanto que para as D representa cerca do
dobro. Esta diferença deve-se, em parte, ao facto dos ensaios para as pellets D
corresponderem a potências menores e maiores valores de excesso de ar. A concentração de
CO nos gases de exaustão será discutida mais adiante.
A diferença entre a potência fornecida e a soma de todas as perdas de energia estimadas foi de
120 a 220 W. Estes valores são inferiores à exactidão do método do seu cálculo, pelo que
apenas têm significado qualitativo. Não foram realizadas estimativas para as perdas de calor
para o ambiente no âmbito deste trabalho, mas este valor deve ser superior ao valor referido
anteriormente, especialmente através da janela de visita da caldeira. No trabalho de Granada
et al. (2002) a diferença entre a potência fornecida e a soma da potência útil com o calor
sensível nos gases correspondeu a cerca de 20% da potência fornecida, enquanto nesta tese a
diferença foi inferior a 3%. As perdas para o ambiente devem representar um valor intermédio
77
aos dois valores referidos.
4.1.3 – Emissões da caldeira
A figura 20 mostra a variação do oxigénio medido nos gases de exaustão em função da
potência fornecida à caldeira, para a velocidade normal de funcionamento do ventilador.
Figura 20: Concentração de O2 nos gases de exaustão
8
10
12
14
16
18
20
4 6 8 10 12 14 16 18
Potência fornecida (kW)
O2
med
ido
(bas
e se
ca %
)
TIPO A
TIPO B
TIPO C
TIPO D
A regulação automática da caldeira ajusta o excesso de ar em função da sua carga. Para as
pellets D, os valores mais elevados da regulação da carga corresponderam a uma potência
fornecida de 10kW, enquanto que para as restantes pellets correspondeu a 17kW. O excesso
de ar, no entanto, é regulado de acordo com a potência útil e não directamente pela regulação
da carga. Este facto é uma consequência da taxa de abastecimento mais baixa observada para
as pellets D quando comparada com as outras pellets, para ajustes idênticos da caldeira. Tal
como é possível observar pela figura 20, a relação entre a potência fornecida e a concentração
de O2 nos gases de exaustão é linear, por este motivo as emissões de poluentes analisados em
seguida serão expressas em função da concentração do oxigénio.
A figura 21 mostra a emissão de CO da caldeira em função da concentração de oxigénio nos
gases de exaustão. Esta figura mostra que as emissões de CO atingiram um valor mínimo de
500 mg/Nm3 @ 13% O2 quando a concentração de O2 é próxima do valor de referência na
normalização. Este valor é idêntico ao verificado para caldeiras de aquecimento central,
alimentada a estilhas de madeira (Strehler, 1998). Para valores mais baixos de O2, verificou-se
78
a formação de maiores teores de CO, o que poderá ser devido ao reduzido tempo de residência
ou a uma mistura insuficiente com o oxidante. Os valores mais elevados de O2
corresponderam a valores mais baixos da potência fornecida à caldeira, reduzindo a
temperatura dos gases e, consequentemente, levando à formação de maiores teores de CO.
Figura 21: Emissões normalizadas de CO em função do oxigénio
200
700
1200
1700
2200
8 10 12 14 16 18
O2 (%)
CO
(m
g/N
m3 @
13%
O2 )
TIPO A
TIPO B
TIPO C
TIPO D
A figura 22 mostra as emissões de NOX, evidenciando comportamentos distintos para as
diferentes pellets.
Figura 22: Emissões normalizadas de NOX em função do oxigénio
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
8 10 12 14 16 18
O2 (%)
NO
x (m
g/N
m3 @ 1
3% O
2 ) TIPO A
TIPO B
TIPO C
TIPO D
79
Para as pellets A, com teores significativos de azoto na sua composição (1.6%), verificou-se
que as emissões de NOX aumentam com o excesso de ar. Para as restantes pellets, as emissões
de NOX não variaram com o excesso de ar, com valores constantes para cada tipo de pellets,
podendo este facto estar relacionado com os seus baixos teores de azoto, ou seja, cerca de
0.3% para as pellets D e teores inferiores ao limite de detecção do analisador para as pellets B
e C. No caso das pellets D foi realizado um número muito limitado de testes pelo que a
influência do excesso de ar deve ser interpretada com reservas.
As variações observadas do teor em NOX em função do O2 (figura 22) confirmam as
observações realizadas por Eskilsson et al. (2002) na combustão de diferentes tipos de pellets.
Na tabela 33 é possível observar alguns resultados relativos à conversão de NOX em dois dos
quatro tipos de pellets utilizados na presente tese, verificando-se o aumento da formação de
NOX com o teor de azoto na matéria-prima (menos que proporcional), mas por outro lado, a
sua taxa de conversão em NOX diminui. Os resultados observados por Eskilsson et al. (2002)
apresentaram resultados e evoluções semelhantes.
Tabela 33: Conversão do azoto em NOX
Este trabalho Eskilsson et al. (2002)
Azoto no combustível (%, daf) 1.6 0.3 0.2 0.05
NOX nos gases de exaustão (mgNOX/Nm3 @ 13% O2)
600 355 292 100
Conversão do azoto do combustível em NOX 0.2 0.5 0.5 0.8
A taxa de conversão foi calculada pela equação 33:
pelletsN
PTNgases
gasesX
Xpellets mX
mNO
/NON Conversão&
&
.
).46/14.(
,ρ= (33)
onde NOX representa a concentração destes compostos nos gases de exaustão (em mg/Nm3,
em db), gasesm& representa o caudal dos gases de exaustão (em kg/s), ρgases,PTN representa a
massa específica dos gases de exaustão em condições PTN, XN representa a fracção mássica
80
de azoto no combustível (mg/kg pellets, em daf) e pelletsm& representa o caudal de pellets (em
kg/s).
4.1.4 – Análise da transferência de calor na caldeira
A medição da temperatura dos gases no interior da câmara de combustão da caldeira, durante
os ensaios em condições estacionárias, apresentou valores desde 315ºC a 614ºC (tabela 34).
Os valores mais elevados verificaram-se nos ensaios realizados na carga máxima (carga 9),
com valores cerca de 500 a 615ºC, por outro lado, nos ensaios realizados na carga normal de
funcionamento (carga 5) a temperatura dos gases apresentou valores cerca de 315 a 480ºC.
Tabela 34: Temperatura dos produtos de combustão no interior da caldeira
Temperaturas (ºC) Carga Ventilador
Esquerda Centro Direita
5 9 421.4 341.3 451.1
5 5 442.8 341.6 448.5
5 0 441.0 326.6 416.2
5 -5 454.4 358.1 460.2
5 -9 429.2 315.1 481.8
9 9 580.2 501.9 550.0
9 5 574.9 495.0 541.7
9 0 595.7 539.5 533.5
9 -5 614.2 561.5 525.7
9 -9 605.4 580.8 541.3
É possível verificar que para a potência intermédia (carga 5), observaram-se valores mais
baixos de temperatura na região central da câmara de combustão, possivelmente devido à
formação de um leito mais alto no centro para esta carga, promovendo maior circulação de ar
e combustão nas zonas laterais. Para a carga mais elevada, as temperaturas do lado esquerdo
foram mais elevadas, onde se situa a admissão e posteriormente a exaustão do sistema de
ventilação. Verificou-se que a velocidade do ventilador não apresenta grande influência na
variação da temperatura dos gases.
81
Tendo em conta a metodologia descrita no ponto 3.5, foram estimados valores para a
contribuição da transferência de calor por radiação e por convecção no balanço de energia da
caldeira. Para a radiação, como referido, não foram efectuadas medições da temperatura dos
gases na zona principal de combustão, pelo que se limitou a análise à troca de calor entre o
leito e os tubos. Efectuaram-se medições da temperatura na base do leito durante a fase de
arranque da caldeira permitindo observar valores até 1000ºC, valor limite dos termopares
utilizados. Durante a combustão heterogénea das pellets observam-se valores de temperatura
desta ordem, enquanto que durante a fase de combustão dos voláteis observam-se valores na
superfície das partículas da ordem dos 1400ºC (Palchonok et al., 2002). Ao aumentar a carga
da caldeira, a mistura das pellets é maior pelo que estas se espalham em todo o leito quando
caem, enquanto no caso da carga intermédia as pellets podem formar uma pirâmide e nesse
caso a zona de libertação de voláteis não se estende a todo o leito. Deste modo para a
estimativa realizada considerou-se a temperatura do leito de 1200ºC para a carga 5 e de
1400ºC para a carga 9.
A tabela 35 resume os resultados obtidos nos ensaios práticos realizados e os obtidos através
das estimativas do balanço de energia aos gases e as potências transferidas por convecção e
radiação.
Tabela 35: Transferência de energia na caldeira
Cargas Potências, em kW
Média Máxima Valores medidos
1 - Potência térmica da caldeira 6.5 13
2 - Balanço de energia ao gás no permutador 2.8 5.4
Valores estimados
3 - Transferência de energia por convecção 2.8 6.0
4 - Transferência de energia por radiação 3.3 5.4
SOMA 3 + 4 6.1 11.4
De acordo com a tabela 35 é possível observar que todas as parcelas aumentaram com a
potência. No caso da radiação, este resultado é uma consequência directa das hipóteses
assumidas, pois não se efectuaram medições da temperatura dos gases na fornalha. A potência
82
transferida do gás aumentou devido ao aumento da temperatura na combustão e do caudal, o
que também contribuiu para o aumento do coeficiente de convecção. A partir dos valores
obtidos é possível observar uma boa concordância entre os valores estimados a partir do
balanço de energia e o calculado para o calor transferido por convecção, apesar de algumas
dúvidas sobre a configuração exacta do permutador e a possível não uniformidade do
escoamento. A diferença entre a potência transferida para a água e a que é transferida por
convecção deve ser transferida para os tubos por radiação. Este valor aparentemente é
subestimado no método simplificado apresentado. Apesar de existirem perdas e do gás
absorver parte da radiação transmitida, o facto de existir combustão sobre o leito promove o
aumento da temperatura dos gases que pode transferir calor por radiação para os tubos. Uma
análise mais detalhada destas trocas de calor só se torna possível com um conhecimento mais
detalhado da distribuição de temperatura que não foi caracterizada. Os resultados obtidos
nesta análise revelam que, no caso considerado, a transferência de calor por convecção e por
radiação são igualmente importantes e sugerem que a parcela de radiação aumenta de
importância com a carga.
4.2 – Ensaios de arranque da caldeira
4.2.1 - Propagação da combustão no leito
O arranque da caldeira foi realizado, em todos os ensaios, a partir do isqueiro eléctrico da
própria caldeira, localizado na região direita do leito de pellets, procedendo-se ao início da
contagem do tempo quando se verifica que a concentração de oxigénio começa a descer e
quando se observa a presença de chama visível. Verificaram-se, contudo, diferentes valores
para o início da contagem do tempo nos diferentes tipos de pellets, possivelmente devido à
maior ou menor presença de finos. Em seguida, a frente de combustão avança em direcção ao
lado esquerdo, observando-se que todo o leito entra em combustão ao fim de 8-12 minutos. A
maior ou menor velocidade da frente de combustão depende das características das pellets,
como é o caso do seu teor em voláteis.
Verificou-se que após o estabelecimento da combustão em todo o leito, o valor da
temperatura apresenta oscilações, de maior ou menor amplitude dependendo do tipo de
pellets. Assim, com excepção das pellets C, verificou-se que a temperatura do lado esquerdo
do leito de combustão é superior à do lado direito, apresentando em média valores cerca de
600 a 800ºC. De facto, os valores são semelhantes a outros observados na combustão de palha
83
e madeira (Werther et al., 2000), mas inferiores aos observados por Palchonok et al. (2002)
na superfície das pellets, no entanto os valores foram medidos na base do leito e o termopar
não se encontrava fixo a nenhuma pellet em particular. Adicionalmente, deve referir-se que se
utilizaram termopares do tipo E que estão limitados a temperaturas inferiores a 1000ºC.
Figura 23: Temperatura da extremidade direita do leito de combustão, durante o arranque
0
200
400
600
800
1000
1200
0:00 0:04 0:08 0:12 0:17 0:21 0:25 0:30Tempo (h:mm)
Tem
pera
tura
(ºC
)
TIPO A TIPO BTIPO C TIPO D
Figura 24: Temperatura da extremidade esquerda do leito de combustão, durante o arranque
0
200
400
600
800
1000
1200
0:00 0:04 0:08 0:12 0:17 0:21 0:25 0:30Tempo (h:mm)
Tem
pera
tura
(ºC
)
TIPO A
TIPO B
TIPO C
TIPO D
Para as pellets D, como a combustão diminuiu de intensidade após os 12 minutos (figura 23)
torna-se mais difícil a sua caracterização. Os valores máximos de temperatura atingidos em
ambos os lados são comparáveis aos obtidos para outros testes realizados em pellets
(Palchonok et al., 2002), durante a combustão heterogénea. A evolução verificada para a
Eliminado: ¶¶Para as pellets D, como a combustão diminuiu de intensidade após os 12 minutos (figura 23) torna-se mais difícil a sua caracterização. Os valores máximos de temperatura atingidos em ambos os lados são comparáveis aos obtidos para outros testes realizados em pellets (Palchonok et al., 2002), durante a combustão heterogénea.
Eliminado: ¶
84
extremidade esquerda do leito das pellets encontra-se representada na figura 24, verificando-
se um atraso de cerca de 4 minutos relativamente ao lado direito (figura 23).
O cálculo da velocidade de propagação da combustão foi realizado com base na distância
entre os dois sensores de temperatura colocados nas extremidades do leito (240mm) e no
tempo mediante entre o aparecimento do pico de temperatura no lado direito e no lado
esquerdo (tabela 36). Assim, verificou-se que as pellets C apresentaram o valor mais elevado
da velocidade de propagação da frente de combustão (0.080cm/s), seguido das pellets D e B
(com cerca de 0.065cm/s). As pellets A apresentaram a velocidade de propagação de
combustão mais baixa, com uma velocidade de 0.034cm/s (tabela 36).
Tabela 36: Temperatura no leito de combustão, durante o arranque
Pellets A B C D
Lado direito do leito de combustão
Temperatura máxima (ºC) 968.4 944.3 928.5 873.9
Taxa de aquecimento até 600ºC (ºC/s) 1.61 1.44 2.13 2.46
Tempo para atingir 600ºC (mm:ss) 06:53 07:26 04:50 04:06
Lado esquerdo do leito de combustão
Temperatura máxima (ºC) 999.5 994.4 709.6 940.9
Taxa de aquecimento até 600ºC (ºC/s) 0.71 0.90 0.96 0.87
Tempo para atingir 600ºC (mm:ss) 15:25 12:16 10:47 10:13
Velocidade de propagação da chama (cm/s) 0.034 0.065 0.080 0.065
Relativamente às taxas de aquecimento no lado direito do leito, as pellets D apresentaram o
maior valor (2.46ºC/s), seguido das pellets C (2.13ºC/s), das pellets A (1.61ºC/s) e das pellets
B (1.44ºC/s). No que diz respeito à taxa de aquecimento no lado esquerdo as taxas de
aquecimento não apresentaram diferenças tão evidentes, com valores entre 0.71ºC/s e
0.96ºC/s. Devido ao facto da colocação dos termopares no cesto das pellets ter sido realizada
num local abaixo do ponto de combustão, os valores reais da temperatura na zona principal de
combustão poderão ser superiores aos observados.
85
4.2.2 – Evolução da temperatura dos gases de exaustão
As figuras 25 a 27 mostram a evolução da temperatura dos gases em três regiões distintas da
câmara de combustão da caldeira, na parte superior da câmara, próximo dos tubos e cerca de
30 cm acima do leito de combustão, nomeadamente: a região central, a região direita e a
região esquerda da câmara. Os resultados referentes às pellets A a C correspondem à média de
três ensaios de arranque, mas no caso das pellets D, devido à limitada quantidade disponível,
apenas foi possível realizar um ensaio de arranque.
Verificou-se, para todas as pellets e para as diferentes regiões da câmara, que a temperatura
atingiu um pico máximo aos 10-12 minutos, estabilizando em seguida até cerca dos 30
minutos, tempo ao fim do qual se considerou que a caldeira entrou em regime estacionário de
funcionamento, sendo interrompida a recolha de dados e considerada a fase de arranque
concluída. Os perfis de temperatura durante o arranque mostram que para todas as posições
existe um pico de temperatura seguido de uma pequena redução, sendo este efeito mais
pronunciado no centro. Este comportamento é atribuído à maior intensidade de combustão
logo após a ignição, quando a quantidade de pellets no leito é superior à do regime
estacionário.
Os valores mais elevados de temperatura ocorreram na região central de câmara, com valores
médios cerca de 300-400ºC utilizando as pellets A, B e C, mas apenas 174ºC utilizando as
pellets D (tabela 37). A taxa de aquecimento dos gases nesta região variou entre 0.67ºC/s
(pellets A) e 1.22ºC/s (pellets B). A diferença verificada entre as pellets B e as restantes,
poderá estar relacionada com o facto destas apresentarem um teor de voláteis superior (cerca
de 78.1% da massa, base ar), o que leva a que inicialmente haja uma maior disponibilidade de
voláteis para combustão (tabela 28). É visível que as pellets D apresentaram uma temperatura
média menor que as restantes, apesar de na fase de ignição e propagação da combustão no
leito ter um comportamento semelhante. Tal como referido anteriormente, apenas se efectuou
um ensaio de arranque para estas pellets e verificaram-se instabilidades na alimentação
associado ao facto de apresentar um diâmetro superior, o que provocou um transporte não-
uniforme desde o tegão até ao leito de combustão, originando o arrefecimento dos gases.
86
Figura 25: Temperatura dos gases no lado esquerdo da câmara, durante o arranque
0
100
200
300
400
0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30
Tempo (h:mm)
Tem
pera
tura
(ºC
)
TIPO A
TIPO B
TIPO C
Figura 26: Temperatura dos gases no centro da câmara, durante o arranque
0
100
200
300
400
500
600
0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30
Tempo (h:mm)
Tem
pera
tura
(ºC
)
TIPO A TIPO BTIPO C TIPO D
Figura 27: Temperatura dos gases no lado direito da câmara, durante o arranque
0
100
200
300
400
500
0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30
Tempo (h:mm)
Tem
pera
tura
(ºC
)
TIPO A
TIPO B
TIPO C
87
Os valores médios observados no lado direito da caldeira foram ligeiramente inferiores aos
observados da região central, cerca de 230 e 370ºC, com um comportamento semelhante entre
pellets. A taxa de aquecimento foi inferior ao verificado na região central, com valores entre
0.46ºC/s (pellets C) e 0.58ºC/s (pellets B). Finalmente, no lado esquerdo, as temperaturas
médias foram ligeiramente inferiores, próximos de 250-290ºC, com uma taxa de aquecimento
não superior a 0.44ºC/s (pellets B).
Tabela 37: Temperatura no interior da câmara de combustão, durante o arranque
Pellets A B C D
Lado esquerdo da caldeira
Temperatura máxima (ºC) 307 344 277 -
Tempo do pico de temperatura (mm:ss) 15:14 13:00 12:16 -
Taxa de aquecimento (ºC/s) 0.34 0.44 0.38 -
Temperatura média (ºC) 288 267 242 -
Parte central da caldeira
Temperatura máxima (ºC) 509 559 488 372
Tempo do pico de temperatura (mm:ss) 12:38 07:37 10:24 08:22
Taxa de aquecimento (ºC/s) 0.67 1.22 0.78 0.74
Temperatura média (ºC) 361 388 306 174
Lado direito da caldeira
Temperatura máxima (ºC) 380 438 293 -
Tempo do pico de temperatura (mm:ss) 13:12 12:38 10:36 -
Taxa de aquecimento (ºC/s) 0.48 0.58 0.46 -
Temperatura média (ºC) 299 370 225 -
Os resultados obtidos para as temperaturas da câmara de combustão são inferiores a
resultados obtidos na combustão de pellets de turfa, utilizada como combustível no norte da
Europa, para ensaios realizados nas mesmas condições. Uma das causas para esta diferença
poderá residir no maior poder calorífico da turfa, cerca de 30% superior ao das pellets
(Heiskanen et al., 1985).
88
4.2.3 – Evolução das espécies químicas
Relativamente à composição dos produtos de combustão, verificou-se em todos os lotes de
pellets uma grande concentração de CO, com valores a exceder os 1.5% (base seca) no caso
das pellets A e B, estabilizando posteriormente em valores mais baixos e inferiores a 0.13%
(base seca), tal como se pode observar na figura 28.
Figura 28: Concentração de CO, durante o arranque
0
0.5
1
1.5
2
0:00 0:04 0:08 0:12 0:17 0:21 0:25 0:30
Tempo (h:mm)
CO
med
ido
(%
base
sec
a) TIPO A TIPO B
TIPO C TIPO D
Resultados comparáveis foram observados no arranque da combustão de pequenos
fragmentos de madeira completamente seca, tendo-se verificado valores entre 1.30% e 1.85%
de CO cerca de 4 minutos após o arranque da combustão (Oren et al., 1987). O facto de neste
trabalho se registar este pico alguns minutos mais tarde poderá estar relacionado com o tempo
necessário à perda da humidade presente nas pellets utilizadas e a diferenças entre as duas
instalações.
A figura 29 mostra a variação do oxigénio medido durante a fase de arranque, onde se
verificou que durante os primeiros minutos a concentração de O2 diminui rapidamente até
atingir o valor mínimo, regressando depois a um valor normal. A diminuição do O2 está
relacionada com o facto de haver, na altura da ignição, uma grande quantidade de pellets no
leito de combustão consequência do seu abastecimento quase em contínuo, levando à sua
acumulação enquanto não é iniciada a combustão. Esta diminuição foi menor para o caso das
pellets D, devido ao facto da sua ignição ser mais rápida, levando a que não houvesse uma
acumulação muito elevada de pellets antes da ignição. Para as pellets C observou-se também
89
um valor mínimo menos acentuado que as restantes, dando origem a um pico menor na
emissão de CO (figura 28).
Figura 29: Concentração de O2, durante o arranque
11
13
15
17
19
21
0:00 0:04 0:08 0:12 0:17 0:21 0:25 0:30
Tempo (h:mm)
O2
med
ido(
% b
ase
seca
)
TIPO A TIPO B
TIPO C TIPO D
Num ensaio realizado em fragmentos de madeira completamente seca registaram-se valores
na concentração de O2 ligeiramente inferiores, aproximadamente 8-9%, cerca de 4-5 minutos
após o arranque (Oren et al., 1987), verificando que após a estabilização o seu valor foi cerca
de 18%. Esta diferença poderá ser devida aos diferentes caudais utilizados e no tipo de
instalação testada.
Figura 30: Concentração de NOX, durante o arranque
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0:00 0:04 0:08 0:12 0:17 0:21 0:25 0:30
Tempo (h:mm)
NO
x m
edid
o (m
g/N
m3 @
13%
O2 ) TIPO A TIPO B
TIPO C TIPO D
90
Relativamente à emissão de NOX, destacam-se desde logo os elevados valores apresentados
pelas pellets A, onde se verificou uma emissão crescente desta espécie ao longo de todo o
arranque, ao contrário do comportamento dos restantes lotes, onde a concentração de NOX
estabilizou abaixo dos 500mg/Nm3. Para o único arranque com as pellets D, verificou-se uma
diminuição da taxa de combustão cerca de 11 minutos após a ignição, devido a
irregularidades no abastecimento de combustível, quando seria de esperar uma estabilização
perto de 1000mg/Nm3 (figura 30). Este fenómeno é justificado pela concentração de azoto
presente no combustível que constitui este lote de pellets e que já havia sido verificado nos
resultados da sua análise elementar, superior à das pellets B e C (tabela 28).
91
5 – Conclusões
Os objectivos do presente trabalho consistiam no estudo de avaliação da produção de
biomassa lenhosa em Portugal e no estudo do desempenho de uma caldeira comercial
utilizando diferentes tipos de pellets como combustível, operando em diferentes regimes.
Estes objectivos foram cumpridos através dos seguintes resultados:
� Foi realizado em estudo de avaliação dos resíduos de biomassa lenhosa a partir dos
dados presentes na estatística e da bibliografia disponível, completado em alguns
casos com trabalhos de campo
� Foram realizados diferentes ensaios numa caldeira alimentada a pellets, através da
variação do caudal de combustível e da variação da velocidade do ventilador, tendo
sido realizadas diversas medições para a avaliação do seu desempenho energético e
ambiental
Na avaliação da biomassa lenhosa em Portugal, foram realizadas estimativas para a produção
de resíduos na floresta, agricultura, agro-indústria e indústrias transformadoras da madeira e
da cortiça, a partir de diversos dados disponíveis. Relativamente à floresta, verificou-se que
em Portugal as principais espécies são o eucalipto e o pinheiro, seguidos da azinheira e do
sobreiro, embora em número muito mais reduzido. Concluiu-se que a produção de resíduos
através das operações florestais é de 1173 mil toneladas secas/ano, das quais apenas os
resíduos de azinheira e sobreiro têm aproveitamento energético significativo.
Relativamente à agricultura, foram tidas em conta tanto os resíduos produzidos na culturas
temporárias como nas permanentes. Nas culturas temporárias, os resíduos produzidos foram
estimados em 1324 mil toneladas secas/ano, onde praticamente apenas os resíduos produzidos
na cultura dos cereais têm aplicação, sendo o restante queimado no local sem qualquer
aproveitamento energético. Para as culturas permanentes, foram avaliados os resíduos
produzidos nas operações de poda das principais culturas, nomeadamente o olival, vinha e
principais árvores de fruto, tendo-se estimado a sua produção anual em 677 mil toneladas
secas/ano. Os resíduos resultantes das podas actualmente têm um aproveitamento muito
reduzido, de facto apenas os ramos de olival de maiores dimensões têm aplicação, sendo o
restante queimado no local. Verificou-se, portanto que a produção de resíduos na agricultura é
92
muito significativa, cerca de 2001 mil toneladas secas/ano, das quais apenas uma pequena
parcela tem aplicação.
Na avaliação dos resíduos produzidos na agro-indústria foram tidas em conta apenas as
indústrias do ramo vegetal, ou seja, as produtoras de material lenhoso, tendo-se verificado que
na maioria dos casos o teor em humidade e de proteína são muito elevados, o que deixa
antever alguma dificuldade na sua combustão directa. Os resultados obtidos permitem
concluir que a produção de resíduos nesta indústria é 872 mil toneladas secas/ano, no entanto,
em muitos casos os resíduos têm um mercado, como é o caso do fabrico de rações para
animais, o que significa que têm um preço elevado.
Finalmente, no caso das indústrias transformadora da madeira, foram avaliados os resíduos
produzidos nas serrações, na indústria da pasta do papel, assim como na indústria
transformadora da cortiça. Os resultados obtidos permitem concluir que a produção de
resíduos neste sector é 1584 mil toneladas secas/ano, no entanto, uma grande parte já é
utilizada como combustível, ao contrário dos restantes sectores.
Tendo em conta os resíduos produzidos nestes sectores, estimou-se que a quantidade total de
resíduos de biomassa produzidos em Portugal ascendem a 5630 mil toneladas secas/ano, das
quais 2628 mil toneladas secas/ano estão disponíveis para produção de energia térmica
através da combustão.
Na segunda parte do presente trabalho, foi avaliado o desempenho de uma caldeira comercial,
sob diferentes regimes de funcionamento e utilizando diferentes tipos de pellets. A análise
realizada aos quatro tipos de pellets utilizados permitiu concluir que são muito semelhantes.
De facto, na análise elementar, todos os lotes de pellets apresentaram valores idênticos de
carbono, hidrogénio e enxofre, tendo-se verificado diferenças apenas no teor de azoto, com
uma concentração muito mais elevada nas pellets A. Estas diferenças traduziram-se na
emissão de concentrações de NOX muito superiores às dos restantes lotes em todos os ensaios
realizados. Relativamente ao poder calorífico, os diferentes lotes também não apresentaram
diferenças significativas, com valores do poder calorífico inferior cerca de 16 MJ/kg, em base
húmida.
93
Nos ensaios em regime estacionário, a caldeira apresentou uma potência térmica entre 7 e
17kWth com as pellets A a C, enquanto que com as pellets D (com maior diâmetro) atingiu
apenas uma potência média de 5kWth. Verificou-se que o rendimento médio da caldeira na
carga máxima é cerca de 77%, com perdas de calor sensível nos gases de exaustão cerca de
16% e perdas praticamente insignificantes nos finos e nos inqueimados (cerca de 0.5%).
Verificou-se que as emissões gasosas de CO encontram-se geralmente abaixo dos
1500mg/Nm3 @ 13% O2, apresentando os valores mais baixos quando a concentração de O2
nos gases de exaustão é 13%. As emissões de NOX estão correlacionadas com o excesso de ar
e com a fracção de azoto na composição das pellets, sendo apenas significativas num tipo de
pellets.
Foram igualmente realizados ensaios ao arranque da caldeira, tendo sido analisado o seu
comportamento em termos de emissões e de temperaturas em diferentes pontos da câmara de
combustão e do leito. Verificou-se que, durante esta fase, é atingido um pico na concentração
de CO da ordem de 1.5%, devido à maior quantidade de biomassa presente no leito de
combustão. A análise de temperaturas ao longo do arranque permitiu concluir que a
temperatura dos gases na câmara atinge valores cerca de 300 a 560ºC, dependendo da região
considerada, e que a temperatura do leito de combustão é cerca de 600-800ºC, atingida 10
minutos após o arranque, com picos de temperatura de 900-1000ºC.
O cálculo da estimativa da transferência de energia por radiação e por convecção apresentou
resultados com alguma aproximação relativamente aos resultados dos ensaios experimentais,
tendo-se observado que a estimativa da transferência de energia por convecção é semelhante
ao balanço de energia dos gases de exaustão na passagem pelos tubos. No entanto, a soma dos
valores estimados para a energia transferida por convecção e por radiação é inferior ao valor
experimental obtido no balanço térmico da caldeira. Esta diferença de valores poderá ser
devida às simplificações realizadas na modelação da transferência de energia dentro da
caldeira.
94
6 – Trabalhos futuros
Com esta tese foram realizados alguns avanços, no entanto, tal como a maioria da
investigação, representa um trabalho em curso e não uma meta alcançada. Durante a sua
realização houve alguns aspectos que não ficaram totalmente esclarecidos, pelo que deverão
ser objecto de estudo mais aprofundado.
No cálculo da disponibilidade de biomassa em Portugal apenas foi possível contactar um
número muito reduzido de empresas intervenientes nas fileiras de produção de resíduos, pelo
que se recomenda uma investigação mais exaustiva, tentando contactar um número
estatisticamente significativo de empresas dentro de cada sector. A análise da floresta poderá
ser mais aprofundada, utilizando mais dados do inventário florestal nacional e estabelecendo
comparações com edições anteriores.
Concluiu-se que grande parte dos resíduos não tem aplicação prática, apesar de apresentar
boas propriedades para a combustão. A preparação de pellets com os resíduos identificados,
seguido de testes em laboratório constitui um estudo importante a ser realizado antes da sua
produção.
Para a caracterização química dos resíduos lenhosos foi necessário recorrer, em certos casos, à
bibliografia disponível. Seria interessante realizar um estudo mais completo e detalhado sobre
os resíduos produzidos nos diversos sectores de actividade, nomeadamente através da
determinação do poder calorífico, matéria volátil, humidade, teor de cinzas e sua composição
química, etc. Este trabalho, no entanto, é muito extenso e encontrava-se fora do âmbito desta
tese de mestrado.
Na presente tese não foram contemplados certos parâmetros que irão influenciar o cálculo do
rendimento da caldeira, como é o caso das perdas de calor através das paredes da caldeira e
perda de energia radiante através da janela. Para avaliar mais correctamente o rendimento real
da caldeira, estas perdas deverão ser incluídas, uma vez que poderão representar uma parcela
energética significativa no desempenho da caldeira. Os ensaios realizados não consideraram
como parâmetro independente a temperatura da água no circuito que requer uma instalação
para poder controlar o valor de modo a ser mais representativo de uma instalação de
95
aquecimento central. Outra parcela importante e que deverá ser incluída em trabalhos futuros
é a emissão de partículas, a qual resulta numa importante fonte de poluição.
96
7 - Bibliografia
Adbeels, P. (1987). Biomass harvesting technology and energy balance, Biomass Energy –
From Harvesting to Storage. Ed. Elsevier Applied Science, London
ADENE/INETI (2001). Fórum Energias Renováveis em Portugal – Relatório Síntese. Ed.
ADENE/INETI, Lisboa
Alves, J. (1995). Estudos de diferentes espaçamentos de gotejadores e sua influência nos
parâmetros de produção numa cultura de tomate para indústria. Tese de Mestrado.
Universidade de Évora (em conclusão)
Amaral, J. (1978). A beterraba sacarina. Ed. Clássica Editora, Colecção “Técnica Agrária”,
Lisboa
Amaral, J. (1994). Os citrinos. Ed. Clássica Editora, Colecção “Técnica Agrária”, Lisboa
Antunes, M. (1998). Gaseificação da casca de pinheiro em leito fluidizado, Utilização de
Resíduos Florestais para a Produção de Energia. Miranda do Corvo, 23 e 24 de
Novembro
Arthur D. Little International, Inc. (1985). Resíduos florestais para produção de energia em
Portugal. Ed. Tecninvest, SARL
Associação Nacional da Indústria Papeleira (2002). http://www.celpa.pt. Boletim Estatístico
2000 (consultado a 18 de Janeiro de 2002)
Azevedo, J.L.T. (1994). Modelação Física e Simulação Numérica de Sistemas de Queima de
Combustíveis Sólidos. Tese de doutoramento. Instituto Superior Técnico, Universidade
Técnica de Lisboa
Azevedo, J.L.T. (2000). Apontamentos de Complementos de Radiação. Ed. AEIST, Lisboa
Bhattacharya, S. (2002). Biomass energy and densification: A Global Review with Emphasis
on Developing Countries, Proceedings of The First World Conference on Pellets: 1 - 17.
Estocolmo, 2 a 4 de Setembro
Baldini, S. (1987). Forest Biomass for Energy in EEC Countries from Harvesting to Storage,
Biomass Energy – From Harvesting to Storage. Ed. Elsevier Applied Science, London
Barreto, L. (1980). Fontes de biomassa do sector florestal e das indústrias florestais,
Congresso Nacional de Aproveitamento de Desperdícios Agro-Industriais e Piscatórios 1:
51 - 60. Lisboa, 15 a 20 Junho
97
Barroso, V. (2001). Bioenergia sob a perspectiva de uma empresa de electricidade – a central
termoeléctrica de Mortágua, Programa e Actas do Workshop Internacional Biomassa e
Bioenergia – Economia, Mercados e Oportunidades: 11 - 19. Lisboa, 15 e 16 de Outubro
Beirão da Costa, M. (1980). Os desperdícios agrícolas e industriais dos cereais: possíveis
formas de aproveitamento, Congresso Nacional de Aproveitamento de Desperdícios Agro-
Industriais e Piscatórios 1: 293 - 310. Lisboa, 15 a 20 de Junho
Biasi, C. (1997). Influences of physical properties on biomass devolatilization characteristics,
Fuel 76: 957 - 964
Carvalho, J., Reimão, D., Pinto de Abreu, C. (1981). Desperdícios nacionais de origem
vegetal. 1ª Parte. Ed. Comissão Nacional do Ambiente, Lisboa
CBE (1993). Estimativa de disponibilidades de biomassa florestal residual no país. Ed.
Centro da Biomassa para a Energia, Miranda do Corvo
Companhia de Celulose do Caima (2001). Produção de energia eléctrica a partir de resíduos
florestais utilizando uma caldeira de leito fluidizado, Programa e Actas do Workshop
Internacional Biomassa e Bioenergia – Economia, Mercados e Oportunidades: 159 - 179.
Lisboa, 15 e 16 de Outubro
Cresta, E. and Giolitti, A. (1987). Availability of by-products: feasibility study on producing
alcohol from biomass, Biomass Energy – From Harvesting to Storage: 200 - 206. Ed.
Elsevier Applied Science, London
Demirbas, A. (1997). Calculation of higher heating values of biomass fuels, Fuel 76: 431 -
434
Dermirbas, A., Gullu, D., Caglar, A., Akdenitz, F. (1997), em preparação. Citado em
Demirbas (1997)
DGF (2001). Inventário Florestal Nacional - Portugal continental. 3ª revisão, 1995 - 1998.
Ed. Direcção-Geral das Florestas, Lisboa
DGF (2002). Incêndios Florestais – 2001. Ed. Direcção-Geral das Florestas, Lisboa
Dias, J., Alvarenga, N.B., Canada, J., Sousa, I. (2002). Evaluation of a method for
determination of mechanical resistance in wood pellets, EuroRheo conference, Progress
in Rheology: Theory and Applications: 197 – 199. Málaga, 24 a 26 de Abril
Dias, J. and Azevedo, J.L.T. (2001). Progress report for the AL/2000/220 project Biomass
Residue Utilization As Fossil Fuel Substitute For Power Generation and District Heating
In The Mediterranean Region. Instituto Superior Técnico, Lisbon
98
EC (1997). European Commission, White Paper: Energy for the future: renewables sources
of energy, COM (97) 599
EC (2000). European Commission, Biomass: An Energy Resource for the European Union.
Ed. Office for Official Publication of the European Communities, Luxembourg
ECN (2002). Phyllis: Biomass composition database of Energieonderzoek Centrum
Nederland, http://www.ecn.nl (consultado a 19 de Janeiro de 2002)
ECOFOREST (2001). Manual del usuario para estufa, encastrable y cantina ECOAGUA
Eskilsson, D., Ronnback, M., Samuelsson, J., Tullin, C. (2002). Optimisation of efficiency
and emission in pellet burners, Proceedings of The First World Conference on Pellets:
143 - 146. Estocolmo, 2 a 4 de Setembro
FAO (1989). Rural use of lignocellulosic residues. N.º 75. FAO, Rome
Fernandes, P. (1998). Residual biomass in the Vale do Sousa region, Northern Portugal.
Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, Vila Real
Ferreira, C. (1983). Os subprodutos das indústrias agrícolas alimentares, I Congresso
Nacional das Indústrias Agro-Alimentares. Ed. IAPA, Lisboa
Fortuna, E. (1986). Tabelas de produção geral e por zonas ecológicas para o eucalipto
globulus da região do Algarve, Comunicações do 1º Congresso Florestal Nacional: 85 –
87. Lisboa, 2 a 6 de Dezembro. Ed. Fundação Calouste Gulbenkian
Gil, L. (1998). Cortiça – Produção, Tecnologia e Aplicação, Ed. INETI, Lisboa
Granada, E., Moran, J., Porteiro, J., Míguez, J., Lareo, G. (2002). Pilot lignocellulosic pellets
stove plant. First Results, Proceedings of The First World Conference on Pellets: 147 -
151. Estocolmo, 2 a 4 de Setembro
Grupo de Trabalho Sobre os Resíduos (1981). Inventariação dos resíduos nacionais. III –
Resíduos agro-indústriais. Ed. Comissão Nacional do Ambiente, Lisboa
Gustavsson, L., Tullin, C., Wrande, I. (2000). Small-scale biomass combustion in Sweden –
research towards a sustainable society, 1ª Conferencia Mundial de Biomassa: Energia e
Produtos Industriales: 1553 - 1555. Ed. James & James, London
Heinzel, T., Maier, J., Baum, J., Spliethoff, H., Hein, K. (1998). Slagging and fouling in dry
and molten ash PFC, Operational Problems and by-products Management for Industrial
Biomass Co-combustion (5). Ed. European Commission, Directorate-General for Research
Heiskanen, V-P., Houtari, J., Asplund, D. (1985). The determination of the most important
flame characteristics of pellet burners, R.P. Overend, T.A. Milne, L.K. Mudge (eds.).
99
Fundamentals of thermo chemical biomass conversion: 849 - 862. Ed. Elsevier Applied
Science, London
Incropera, F. P. and De Witt, D.P. (1990). Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 3rd Ed.
John Wiley & Sons
INE (1998a). Inquérito base às plantações de árvores de fruto. Instituto Nacional de
Estatística, Lisboa
INE (1998b). Estatísticas da Produção Agro-Industrial 1996-1998. Instituto Nacional de
Estatística, Lisboa
INE (1998 a 2001a). Estatísticas Agrícolas 1997-1999. Instituto Nacional de Estatística,
Lisboa
INE (1998 a 2001b). Estatísticas de Produção Industrial 1997-1999. Instituto Nacional de
Estatística, Lisboa
INE (2001a). O País em números. Informação Estatística 1991-1999. Edição em CD-ROM.
Instituto Nacional de Estatística, Lisboa
INE (2001b). Recenseamento Geral da Agricultura, 1999. Portugal. Principais Resultados.
Instituto Nacional de Estatística, Lisboa
Jenkins, B., Baxter, L., Miles Jr., T., Miles, T. (1996). Combustion properties of biomass,
Biomass Usage for Utility and Industrial Power. Utah, 28 de Abril a 3 de Maio. Ed.
Engineering Foundation Conferences
Jiménez, L. and González, F. (1991). Study of the physical and chemical properties of
lignocellulosic residues with a view to the production of fuel, Fuel 70: 947 - 950
Johansson, E. (2001). Logistic and energetic use of forest residues, fuel pellets, chips and
shavings from sawmills and the forest industry, utilised in combined heat and power
plants, Programa e Actas do Workshop Internacional Biomassa e Bioenergia – Economia,
Mercados e Oportunidades: 51 - 54. Lisboa, 15 e 16 de Outubro
Kanury, A. (1994). Combustion characteristics of biomass fuels, Combustion Science and
Technology 97: 469 - 491
Kocsis, K. (1987). FAO/CNRE research cooperation on biomass production and use for
energy, Biomass Energy – From Harvesting to Storage: 144 - 156. Ed. Elsevier Applied
Science, London
Kroplin, P. (1998). The importance of small biomass stoves for future energy supply from the
point of view of the builders of tiled stoves, Proceeding of the International Conference
100
10th European Conference and Technology Exhibition: 67 - 69. Wurzburg (Alemanha), 8 a
11 de Junho
Lin, W. and Dam-Johansen, K. (1998). Sintering in biofuel and coal-biofuel fired FBC’s,
Operational Problems and by-products Management for Industrial Biomass Co-
combustion (5). Ed. European Commission, Directorate-General for Research
Loo, S. and Koppejan, J. (2002). Handbook of Biomass Combustion and Co-Firing. Ed.
Twente University Press, Netherlands. Citado em Obernberger and Thek (2002)
Magasiner, N. and de Kock, W. (1987). Design criteria for fibrous fuel fired boilers, Energy
World 8-9: 4 - 12
Maia, M. (1973). Relatório da actividade do aluno estagiário do curso de Engenheiro
Silvicultor. Instituto Superior de Agronomia, Universidade Técnica de Lisboa
Mann, M.K. and Spath, P.L. (2000). A Comparison of the Environmental Consequences of
Power from Biomass, Coal and Natural Gas, 1ª Conferencia Mundial de Biomassa:
Energia e Produtos Industriales. Ed. James & James, London
Matweb (2002). http://www.matweb.com (consultado a 20 de Julho de 2002)
McDonald, P., Edwards, R.A., Greenhalgh, J.F.D. (1981). Animal Nutrition. Ed. Longman
Group Limited, London. Citado em Dias and Azevedo (2001)
Morais, C.J.E. (2002). O sector florestal português face aos desafios da sustentabilidade,
Ingenium, 2ª Série (nº 66): 36 - 42
Natividade, J. (1950). Subericultura. Ed. Ministério da Economia, Lisboa
Obernberger, I. and Thek, G. (2002). Physical characterisation and chemical composition of
densified biomass fuels with regard to their composition behaviour, Proceedings of The
First World Conference on Pellets: 115 - 121. Estocolmo, 2 a 4 de Setembro
Ohman, M., Boman, C., Hedman, H., Nordin, A., Bostrom, D. (2002). Slagging tendencies of
wood pellet ash during combustion in residential pellet burners, Proceedings of The First
World Conference on Pellets: 212 - 219. Estocolmo, 2 a 4 de Setembro
Oliveira, A., Pereira, J., Correia, A. (2000). A silvicultura do pinheiro bravo. Ed. Centro
Pinus
Olsson, M. and Kjallstrand, J. (2002). Emissions from burning of softwood pellets,
Proceedings of The First World Conference on Pellets: 111 - 114. Estocolmo, 2 a 4 de
Setembro
Oren, M., Karunakaran, K., Pegg, M., David, G. (1987). Mechanism of wood combustion: 1.
Flue gas analysis, Fuel 66: 9 - 12
101
Ouedraogo, A., Mulligan, J., Cleland, J. (1998). A quasi-steady shrinking core analysis of
wood combustion, Combustion and Flame 114: 1 - 12
Palchonok, G., Leckner, B., Tullin, C., Martinsson, L., Borodulya, A. (2002). Combustion
characteristics of wood pellets, Proceedings of The First World Conference on Pellets:
105 - 109. Estocolmo, 2 a 4 de Setembro
Pato, O. (1988). O vinho – sua preparação e conservação. Ed. Clássica Editora, Nova
Colecção “Técnica Agrária”, Lisboa
Patrão, G. (1998). Central termoeléctrica para aproveitamento energético de resíduos
florestais – Mortágua, Utilização de Resíduos Florestais para a Produção de Energia.
Miranda do Corvo, 23 e 24 de Novembro
Paulo, J.A., Tomé, M., Soares, P., Uva, J.S., Moreira, J. (2002). Impacto de diferentes
equações de volume na avaliação do volume existente de Eucalyptus globulus no
Inventário Florestal Nacional, Ingenium, 2ª Série (nº 66): 90 - 94
Peça, J. (1993). Agricultura para a energia e para a indústria. Apresentação de um caso, Vida
Rural (nº 23): 27 - 31
Pereira, H. (2001). A investigação na área da biomassa e bioenergia, Programa e Actas do
Workshop Internacional Biomassa e Bioenergia – Economia, Mercados e Oportunidades:
39 - 40. Lisboa, 15 e 16 de Outubro
Pereira, H. and Pereira, J.S. (1988). Short rotation biomass plantations in Portugal, Biomass
Forestry in Europe: A strategy for the future: 509 – 539. Ed. Elsevier Applied Science,
London
Roberts, A. (1970). A review of kinetics data for the pyrolysis of wood and related
substances, Combustion and Flame 14: 261 - 272
Saastamoinen, J. (1996). Simultaneous drying and pyrolysis of solid fuel particles,
Combustion and Flame 106: 288 - 300
Santos, A. (1986). A floresta como fonte de energia, Livro das comunicações do I Congresso
Florestal Nacional: 483 - 485. Lisboa, 2 a 6 de Dezembro
Sanz, M. and Lorenzo, E. (2000). Estudio de aprovechamento energético de los residuos
generados en el processado del piñón, 1er Simposio del Pino Piñonero (Pinus pinea L.):
321 - 329. Valladolid, 22 a 24 de Fevereiro
Sardinha, A. (1988). A madeira, Ciência e Tecnologia dos Materiais. Ed. Universidade de
Trás-os-Montes e Alto Douro, Vila Real
102
Sheng, C. and Azevedo, J.L.T. (2001). Progress report of Bioflam project ERK5-CT1999-
00004 (C478) Research report including a model to predict devolatilisation and particle
morphology of various secondary fuels as well comparison with measurement data from
other partners. Instituto Superior Técnico, Lisbon
Silva, R., Tavares, M., Páscoa, F. (1991). Residual biomass of forest stands – Pinus pinaster
Ait. and Eucalyptus globulus Labill, Actas nº 5, 10º Congresso Florestal Mundial, Paris.
Citado em CBE (1993) e Fernandes (1998)
Sobral, S. (2000). Fábrica de briquetes/peletes – Implementação na região Alentejo,
Seminário: Fileira de biomassa em três regiões da Europa. 24 de Março
Spearpoint, M. and Quintiere, J. (2000). Predicting the burning of wood using an integral
model, Combustion and Flame 123: 308 - 324
Strehler, A. (1998). Main problems with planning, construction and use of wood furnaces for
dwellings – Experience from consulting activities based on Bavarian research projects,
Proceeding of the International Conference 10th European Conference and Technology
Exhibition: 67 - 69. Wurzburg, 8 a 10 de Junho
Suárez-García, F., Martínez-Alonso, A., Fernández Llorente, M., Tascón. J. (2002). Inorganic
matter characterization in vegetable biomass feedstocks, Fuel 81: 1161 - 1169
Tabarés, J., Ortiz, L., Viar, F. (2000). Feasibility study of energy use for densificated
lignocellulosic material (briquettes), Fuel 79: 1229 - 1237
Tilman, D. (1978). Wood as an energy resource. Ed. Academic Press, New York. Citado em
Jiménez and González (1991)
Werther, J., Saenger, M., Hartge, E., Ogada, T., Siagi, Z. (2000). Combustion of agricultural
residues, Progress in Energy and Combustion Science 26: 1 - 27
Yatim, B. and Hoi, W. (1987). The quality of charcoal from various types of wood, Fuel 66:
1305 - 1306