Mise en place du test en faisceau combin´e

biomassa

A torrefação e a carbonização são processos que permitem melhorar a qualidade da biomassa, contribuindo para a obtenção de um produto mais homogéneo, hidrofóbico e com teor de oxigénio inferior ao da biomassa original [39]. A principal distinção entre os dois processos está na gama de temperaturas utilizada. A torrefação ocorre numa gama de temperaturas entre 200 – 300 ºC, enquanto a carbonização ocorre numa gama um pouco superior [40]. Durante a torrefação ocorre uma decomposição parcial da biomassa, com libertação de voláteis, sendo os principais ácido acético e água, associados à decomposição da hemicelulose, mas também dióxido de carbono e monóxido de carbono resultantes da oxidação do carbono pelo oxigénio residual existente no reator ou ainda pelo oxigénio contido na própria biomassa [37]. O resultado destas operações é um produto sólido que, tipicamente, contém 90% da energia inicial da biomassa, mas apenas 70% da sua massa, pertencendo as frações de energia e massa restantes aos gases libertados [37]. Daqui resulta uma considerável densificação energética, numa base mássica, uma vez que há maior perda de massa do que de energia.

O rendimento mássico e energético na torrefação é influenciado pela temperatura, pelo tempo de residência e pela biomassa utilizada [35]. Num estudo de revisão de Chew e Doshi [25] é indicado que o tempo de residência tem menor impacto no rendimento energético do que a temperatura, sendo o ideal trabalhar num regime de temperaturas moderadas ou elevadas mas com menor tempo de residência de forma a minimizar perdas de energia. No que toca à composição elementar, os autores referem um aumento no teor de carbono e uma diminuição nos teores de oxigénio e de hidrogénio com o aumento da temperatura de torrefação. Quanto à composição aproximada é expectável um aumento do teor de carbono fixo e um decréscimo do teor de matéria volátil, à medida que aumentam a temperatura de torrefacção e o tempo de residência, sendo estas alterações atribuídas à desintegração de grupos funcionais contendo oxigénio.

A maior perda de oxigénio e de hidrogénio, relativamente ao carbono, contribuirá para o aumento do poder calorífico superior da biomassa com este tratamento térmico [34]. No diagrama de Van Krevelen da Figura 2.1, mostra-se o efeito da torrefação numa gama 220 – 280 ºC na composição de madeira de faia e pode observar-se que quanto maior a temperatura de torrefação (a temperatura aumenta no sentido indicado pela seta) mais as razões H:C e O:C da madeira tratada se aproximam das do carvão [41]. A carbonização a baixas temperaturas contribuirá para uma melhoria mais acentuada das características da biomassa como combustível, tornando-a ainda mais parecida com o carvão ao tirar partido de uma decomposição mais acentuada da celulose e da lenhina [40].

A torrefação, deixa a biomassa completamente seca e o ganho posterior de humidade é bastante limitado. A biomassa perde o seu carácter higroscópico e torna-se hidrofóbica, devido à

Capítulo 2 – Impacte da torrefação e da carbonização a baixa temperatura nas propriedades da biomassa de arundo e palmeira em peletes de resíduos de pinheiro

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destruição de grupos hidroxilo (o que contribui para a perda de capacidade de estabelecimento de ligações de hidrogénio) e à formação de estruturas insaturadas apolares, o que será determinante para impedir a sua degradação biológica [37].

A decomposição da hemicelulose, que está ligada às fibras de celulose e a decomposição parcial da própria celulose e da lenhina, contribuirão para a perda de tenacidade da biomassa e irão melhorar as suas características de moabilidade [25,35].

Figura 2.1 – Diagrama de Van Kravelen (adaptado de [41].

Os efeitos da torrefação nas propriedades físicas, químicas e mecânicas da biomassa já foram avaliados por alguns autores, apresentando-se de seguida uma pequena revisão bibliográfica para evidenciar as principais conclusões.

Bourgois e Guyonnet [42] estudaram o efeito da torrefacção nas propriedades da biomassa de pinheiro, tendo levado a cabo ensaios a 260 ºC, em atmosfera de azoto e com tempos de residência entre 15 minutos e 4 horas. Observaram que os tratamentos aplicados provocaram uma diminuição dos teores de hidrogénio, oxigénio e compostos extraíveis, bem como um aumento dos teores de carbono, de cinzas e de lenhina, à medida que aumentou o tempo de residência. Em termos das propriedades finais da biomassa tratada, observou-se um aumento do seu poder calorífico superior e da sua hidrofobicidade.

Phanphanich e Mani [43] estudaram o impacte da torrefação nas propriedades combustíveis de biomassa de pinheiro, após ensaios de torrefação conduzidos a 225, 250, 275 e 300 ºC, com um tempo de residência de 30 minutos. Com o aumento da temperatura aplicada, verificaram um aumento do poder calorífico superior, assim como razões H/C e O/C sucessivamente mais próximas do observado para o carvão.

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Arias e co-autores [44] observaram um aumento do poder calorífico superior de biomassa de eucalipto com o aumento do tempo de residência e da temperatura aplicada, após ensaios de torrefação efetuados a 240, 260 e 280 ºC, com tempos de residência entre 0 e 3 horas. A análise termogravimétrica, revelou a existência de apenas dois picos bem definidos para a biomassa sujeita a torrefação, correspondentes à decomposição da celulose e da lenhina, ao contrário do verificado para a biomassa não tratada, que apresenta o pico correspondente à decomposição das hemiceluloses.

Rousset e colaboradores [45] estudaram o efeito da torrefação nas propriedades combustíveis do bambu, com ensaios a 220, 250 e 280 ºC, e 1 hora de tempo de residência e registaram aumentos do poder calorífico e do teor de carbono e diminuição dos teores de hidrogénio e de oxigénio, com o aumento da temperatura de torrefação.

Chen e Kuo [46] estudaram o efeito da torrefação em quatro tipos de biomassa (bambu, salgueiro, casca de coco e madeira de figueira) através de termogravimetria, tendo constatado que o tratamento mais ligeiro (240 ºC) seria mais vantajoso quando se pretende a densificação energética da biomassa, em virtude da maior perda de massa que ocorreu no tratamento mais severo (275 ºC), e que já envolveu alguma decomposição da celulose e da lenhina.

Refira-se ainda o trabalho de Prins e co-autores [41], que sugerem a torrefação como pré- tratamento para o processo de gasificação, retirando vantagem das melhorias introduzidas na biomassa, principalmente no que respeita ao poder calorífico e reatividade. Os autores referem que todo o processo pode tornar-se mais eficiente ao aproveitar-se o calor residual dos produtos da gasificação para o processo de torrefação e apresentam alguns esquemas processuais para tal efeito.

O estudo do impacte da torrefação nas características de moabilidade da biomassa já foi efetuado por diversos autores, como Repellin e colaboradores [47], com estilha de abeto e de faia ou também pelos atrás referidos Phanphanich e Mani [43] e Arias e co-autores [44], os quais verificaram melhorias nesse aspeto importante, como se descriminará mais adiante.