Condicionamento da biomassa através do processo de torrefação para injeção na gaseificação : aspectos fundamentais

Condicionamento da Biomassa através do processo de Torrefação para injeção na

Gaseificação: aspectos fundamentais

Curitiba, Paraná, Brasil 24-26 de junho de 2008

Dr Patrick Rousset

Cirad (Centro de Cooperação Internacional

Generalidades

O uso energético da biomassa

pode ser :

• de forma direta, pela

combustão,

ou indireta, pelos processos de

conversão para a produção de

combustíveis energeticamente

mais densos (sólido, líquido ou

gasoso).

Biomassa –conversões térmicas Fermentação metânica Extração de óleo Pirólise Fermentação alcoólica Gaseificação Metano CH4 Óleos vegetais Carvão óleo Etanol C2H5OH Gás combustível Energia CO2 + H2O

Bioquímica _Biomassa Termoquímica

Combustão direta

A biomassa pode ser energeticamente convertida em biocombustíveis basicamente por duas vias: a via termoquímica e a via bioquímica

Definição A torrefação :

• Tratamento térmico

caracteriza-se pela

ausência parcial ou

completa de agentes

oxidantes (ar),

• Fase inicial da pirólise

(Ate 280°C) que visa a

produção de um

Fases da pirólise

Fase Temperatura (°C) Produtos

I (endotérmica) Até 200 Água (secagem)

II (endotérmica) 200 a 270-280 Água e ácido

acético

III (exotérmica) 280 a 350-380 Carvão, ácido

acético, metanol e alcatrão leve

IV (exotérmica) 380 a 500 Carvão e alcatrão

V (exotérmica) Acima de 500 Degradação do

Histórico da torrefação

•

•

•

Torrefação Todas as propriedades da madeira sofrem alterações graduais de acordo com o aumento da temperatura. A torrefação é justamente o meio pelo qual se busca tais alterações.

1 h

8 h

200° 225° 250° 280°

Propriedades da madeira torrificada Propriedades energéticas:

Rendimento gravimétrico elevado: 74% Rendimento energético favorável: 90% Poder calorífico superior: 23 800 kJ/kg Análise imediata:

% C: 30

% voláteis: 68 % cinzas: 0,35

Propriedades físicas e mecânicas:

Diminuição da higroscopicidade

Aumento da estabilidade dimensional Alterações das propriedade mecânicas

Objetivos da pesquisa

Objetivos globais:

• Pré-condicionamento da biomassa para a produção de biocombustíveis através do processo de gaseificação (leito fluidizado circulante: alta pressão, alta temperatura, micro-partículas <100µm, tempo de residência curto – 4s)

Objetivos específicos:

• Avaliar os efeitos da torrefação sobre as propriedades físicas e mecânicas como a friabilidade a fim de usar direto na gaseificação ou em formação de uma massa multi-fásica (líquida, sólida e gás)

Pesquisas fundamentais Entender as modificações químicas, físicas e mecânicas

passa pela estudo do processo à escala da micro e macro partícula

Necessita de uma ferramenta numérica adaptada para modelizar os eventos que acontecem durante a torrefação Ferramenta: Usamos um código numérico de secagem chamado “TransPore” (Perré, 1994)

58 cm 12 cm 4 c m 2 c m 8 c m 4 c m R T L 0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 P/Patm 0 0.1 0.2 0.3 X Consigne (°C) T.surface (°C) X.surface P.surface X.centre T.centre (°C) P.centre Temsp (sec) T e m pér at ur e ( °C ) Epaisseur = 50 mm Temps (H) 0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 P/Patm 0 0.1 0.2 0.3 X Consigne (°C) T.surface (°C) X.surface P.surface X.centre T.centre (°C) P.centre Temsp (sec) T e m pér at ur e ( °C ) Epaisseur = 50 mm Temps (H)

Pesquisas fundamentais Originalidade desse trabalho: estudar a degradação de

cada componente da madeira ( C, H e L) no lugar de uma aproximação global (sólido, gás, carvão)

C

H

Prever as propriedades da madeira torrificada L

Composição da biomassa

Celulose Hemicelulose Lignina % Coníferas 40 a 45 7 a 14 26 a 34 Folhosas 38 a 49 19 a 26 23 a 30 Tron co 0.1 – 1m Tábua 10 – Cerne de crescimento 1 – 15 mm Trach eïdes 20 – 40 m Parede celular 1 – 5 m rifibrila 10 nm Moléc_ula < 1nm 1 2 3 4 5 6 100 mm Mic 2 – 7 8 9 S 1 S 2 S 3 1 0 1 1 1 2 1 3

Parâmetros do modelo de pirólise

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

A K T V T K v E_T = 147 kJ/mol A_T= 2.51.109 s-1 E_v = 238 kJ/mol A_v= 1.25.1018_s-1

2 - Hemicelulose : modelo de Varehgyi (1989) _{Modelo de}

pirólise com 7 reações químicas A 0,43 G1+ 0.56 S1 0,56 G2 + 0.44 S2 I II E₁ = 193 kJ/mol A₁= 7, 94.1016 s-1 E_II = 95 kJ/mol A_II= 5,01.106s-1 E_v+c = 124.3 kJ/mol A_v+c = 2.77.107s-1

3 - Lignina : modelo de Williams (1993)

A V+C

Procedimento de cálculo

Heat and mass transfer model

(Transpore)

-Reaction rates ki(T)

Time loop (time t, time increment dt)

YES t = t + dt dt increased or not (*) NO dt decreased Pyrolysis model -∆HR source of energy -wi Gas concentration

(*) _{depending on the convergence rate}

Evolution test

Metodologia experimental: Reator de pirólise 1 – Reator de torrefação 5 – Armário de controle 2 – Balança eletrônica 6 – Cilindro de N₂ 3 – Analisador de O₂ 7 –Computador 4 – Conversor

Metodologia experimental: T e P

Board Thermocouple

Connector T/P

Capillary filled with oil of silicone

Metallic parts  strongly tied Longitudinal  direction Coated film  in silicone Montagem específica

para medir a temperatura e a pressão no mesmo ponto.

As placas de aço com

silicone nas extremidades oferecem a possibilidade de trabalhar com

amostras de comprimento pequeno em relação a direção longitudinal

Princípio de modelisação 1D e 2D Airflow across timber R T L R T 1D 2D ∞ ∞

Pranchas com surperfície de troca de calor segundo uma ou duas direções.

Eficiência do código

Comparação das curvas teóricas usando o código com e sem as reações químicas.

Resultados:Curvas teóricas de temperatura e de pressão no corpo de prova

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 Simulation Surface Core Time (min) P res su re ( P /P at m ) (a) (b) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 Simulation Core Surface Oven T°C Time (min) Te m p e ra tu re (° C ) Fenômeno de exotermia

Duplo pico de pressão devido a evaporação da

água e a produção do gás de pirólise

Resultados: hemiceluloses

Perfil de degradação das hemiceluloses versus tempo a 250°C e 5h

Conclusões e perspectivas Conclusões:

• Modelo adaptado para a torrefação

• Possibilidade de predição dos perfis de temperatura, massa e de pressão na madeira

• Associar as propriedades mecânicas à degradação dos componentes da madeira e modelizar propriedades como friabilidade que interessem ao projeto final.

gazeificação

torrefação trituraçao Formulação

Modificações

mecanicas Fischer trops

biocombustivel

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processo de Torrefação para injeção na Gaseificação: aspectos fundamentais

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