profa Gilmara 2014 [Modo de Compatibilidade] · BIOMASSA MODERNA VERSUS BIOMASSA TRADICIONAL...
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Combustíveis e Combustíveis e BiocombustíveisBiocombustíveis
UNIVERSIDADE ESTADUAL UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CENTRODO CENTRO--OESTEOESTE
Maio de 2014
Profa Dra Gilmara de Oliveira Machado
Departamento de Engenharia Florestal
Análise de Matéria-prima Oriunda de Biomassa
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Análises de matérias-primas oriundas de
Biomassa
⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ Definição de Bioenergia.⇒⇒⇒⇒ Composição química da biomassa vegetal.⇒⇒⇒⇒ Insumos que são usados para produzirbioenergia.⇒⇒⇒⇒ Como se produz os insumos?⇒⇒⇒⇒ Qual é o potencial de produção?⇒⇒⇒⇒ Quais são os principais bioenergéticos ?
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BioenergiaÉ a energia derivada de
qualquer forma de biomassa(combustível de origem biológica,se obtém a partir de organismosque estiveram vivos recentemente)Exemplos:
Árvores: lenha e carvão vegetal
Plantações agrícolas: casca dePlantações agrícolas: casca dearroz, serragem e bagaço da cana-de-açúcar
Gordura animal e Óleos vegetais
Resíduos orgânicos
Todos esses exemplos são fontesde Bioenergia.
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BIOMASSA MODERNA VERSUS BIOMASSA TRADICIONAL
Infelizmente, no que se refere à participação da Bioenergia como fonte deenergia, uma grande parte dessa Bioenergia é o que se chama de Biomassatradicional utilizada com baixa eficiência de conversão (fogões à lenha: de 5 a10%)
A) Tecnologias tradicionais de uso da biomassa (ou biomassatradicional): combustão direta de madeira, lenha, carvão vegetal, resíduosagrícolas, resíduos de animais e urbanos, para cocção, secagem e produção decarvão. As chamadas “biomassas tradicionais” são aquelas não sustentáveis,utilizadas de maneira rústica, em geral para suprimento residencial (cocção eaquecimento de ambientes) em comunidades isoladas. Pode-se destacar amadeira de desflorestamento, resíduos florestais e dejetos de animais.
B) Tecnologias “aperfeiçoadas” de uso da biomassa (ou biomassa“aperfeiçoada”): tecnologias aperfeiçoadas e mais eficientes de combustão diretade biomassa, tais como fogões e fornos.
C) Tecnologias modernas de uso da biomassa (ou biomassa moderna):tecnologias avançadas de conversão de biomassa em eletricidade e o uso debiocombustíveis. São consideradas “biomassas modernas” os biocombustíveis(etanol e biodiesel), madeira de reflorestamento, bagaço de cana-de-açúcar ebiogás, desde que utilizadas de maneira sustentável, em processos tecnológicosavançados e eficientes.
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A Bioenergia é expressiva?
Contribui para atender a demanda atender a demanda
de energia do Mundo? E a do
Brasil?
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Dados Mundiais (%) Dados Brasileiro (%)
Combustíveis
fósseis81,6 Biomassa da cana 15,4
Biocombustíveis
e resíduos10 Hidroeletricidade 13,8
Nuclear 5,1 Lenha e carvão vegetal 9,1
Madeira para
energia47 Madeira para energia 62
Bioenergia Moderna no
MundoCombustíveis fósseis 56,1
Mundo
Como fonte
de energia
Como fonte
de
eletricidade
Consumo de Energia pelas famílias brasileiras (lenha e
GLP/gás natural)
(Demanda de lenha pelas famílias: Valor médio
constante e igual a 10,3 kg/domicílio/dia para
consumidores exclusivos de lenha e 8,3 kg/domicílio/dia
para consumidores de lenha e outros combustíveis)
46 EJ 4,5 EJ 27,2% de lenha 28,1% de GLP/gás natural
Número de domicílios que utilizam lenha no Brasil (mil unidades)
Norte
286
Nordeste
1860
Sul
1313
Sudeste
1818
Centro-oeste
220
Brasil
5498
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Participação da Bioenergia no Cenário Mundial
BIOENERGIA
Como fonte de Energia
∼∼∼∼ 16%
Como fonte deEletricidade
∼∼∼∼ 5%
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Participação da Bioenergia no Cenário Mundial como fonte de Energia
Bioenergia (Renewables): parcela amarela (16,7%). Grande parte daBioenergia é Biomassa Tradicional (8,5%). Biomassa moderna seria, por exemplo,os biocombustíveis, biofuels (etanol e biodiesel, 0,7%) com uma participação bempequena.
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Participação da Bioenergia no Cenário Mundial como fonte de Eletricidade
Combustíveis: 79,7%(Fósseis e Nuclear)
Bioenergia: 5%
Hidrelétrica: 15,3%
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Combustíveis Fósseis
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http://cenbio.iee.usp.br
Fontes de Biocombustíveis
Resumo
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FONTES DE BIOMASSA: Vegetais não lenhosos
Matéria-prima Produção(agrícola, tons)
Produção(resíduo, t/ha)
Matéria(seca,%)
Produçãototal (de
Resíduo,Tons)
Cana (bagaço) 396.012.158 7,0 – 13,0 23,4 59.401.824
Arroz (casca) 10.334.603 4,0 – 6,0 89,0 2.937.094
Produção de matéria-prima e seus resíduos no Brasil em 2004
Café (casca) 2.454.470 - - 1.662.658
Mandioca (rama) 21.961.082 6,0 – 10,0 90,4 6.524.206
Milho (palha e sabugo) 48.327.323 5,0 – 8,0 90,5 64.028.870
Soja (restos de cultura) 51.919.440 3,0 – 4,0 88,5 80.746.839
Mamona 111.100 - - -
Algodão 2.199.268 - - -
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FONTES DE BIOMASSA: resíduos sólidos urbanos
Índices de produção per capita de resíduos sólidos domiciliares em função da população
urbana
População (hab.) Produção (kg/hab.dia)
Até 100.000 0,4
De 100.001 a 200.000 0,5
De 200.001 a 500.000 0,6
Mais de 500.001 0,7
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Resíduos Produção PCS (MJ/kg, base seca)
Disponibilidade
FONTES DE BIOMASSA: resíduos industriais
Disponibilidade de resíduos agroindustriais
(MJ/kg, base seca)
Bagaço cana 250 – 300 kg/ton cana 18,4 100%
Licor negro 800 kg/ton celulose (base seca)
12,5 80%
Borra de café 4,5 ton/ton café solúvel 14,6 60 a 80%
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FONTES DE BIOMASSA: resíduos animais
Quantidade de excremento produzido por diferentes animais
Animal Massa(animal, kg)
Volume(excremento, m3/dia)
Massaúmida
(excremento,
Matéria seca (%)
(excremento,kg/dia)
Gado de corte 500 0,028 – 0,037 27,7 – 36,6 10
Gado de leite 500 0,031 – 0,035 30,2 – 35,0 10
Suínos 100 0,0056 – 0,0078 5,4 – 7,6 10
Equinos 500 0,025 28 20
Aves 2,5 0,00014 – 0,00017 0,14 – 0,17 20
Ovelhas - 2,0 20
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FONTES DE BIOMASSA: resíduos florestais
Consumo industrial de madeira em toras no Brasil (1000 m3 )
Produto Nativas Plantadas TotalProduto Nativas Plantadas Total
Celulose e papel - 32.000 32.000
Carvão vegetal 11.800 33.400 45.200
Lenha industrial 16.000 13.000 29.000
Serrados 34.000 15.100 49.100
Lâminas e compensados 2.050 3.960 6.010
Painéis reconstituídos - 5.000 5.000
Total 63.850 102.460 166.310
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Biocombustíveis GJ/ha
Biodiesel de girassol 36
Biodiesel de soja 18 – 25
Rendimento Energético: aspecto importante no cultivo e na produção de biocombustíveis
de primeira geração (vias convencionais).
Biodiesel de soja 18 – 25
Etanol de trigo 53 – 84
Etanol de milho 63 – 76
Etanol de açúcar de beterraba 117
Etanol de Cana-de-açúcar 110 – 140
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Biocombustíveis GJ/ha
Etanol de Panicumvirgatum
228 - 407(futuro)
Plantação de eucalipto:
Rendimento Energético: biocombustíveis de segunda geração (produtos de pirólise, de
gaseificação, etanol celulósico, etc).
Plantação de eucalipto: biodiesel Fischer –Tropsch (FT) por gaseificação
460 - 620
Plantação de eucalipto: metanol
800 - 1000
Plantação de eucalipto: dimetil éter (DME)
850 – 1100
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CONSTITUIÇÃO QUÍMICA DA BIOMASSA DE ORIGEM VEGETAL
BIOMASSA
Baixa massa molar
Altamassa molar
Orgânica
Extrativos
Inorgânica
Cinzas
Polissa-carídeos
Celulose Polioses
Lignina
CO2 + H2OO2H2O carboidrato + +fotossíntese
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PARA PRODUZIR O ETANOL, POR EXEMPLO, PARTIMOS DE PELO
MENOS TRÊS FORMAS DE BIOENERGIA
CANA-DE-AÇUCAR (BRASIL)
MILHO (ESTADOS UNIDOS)
TRIGO (EUROPA)
CANA
MILHOTRIGO
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Sorgo
Os amidos são carboidratos complexos, que devem ser transformadospara obtenção de açúcares mais simples para fermentação. Ex: milho(Zea mays L.), mandioca (Manihot utilíssima) e batata-doce [Ipomoeabatatas L. (Lam.)]. O Sorgo granífero cv. Sacarino (Sorghum bicolor (L.)Moench) com os nomes populares: Milho da Angola, Milho da Guiné.
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ETANOL E SEUS COPRODUTOS
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Etanol Celulósico
Capim-elefante
Celulósicos: é necessária a hidrólise do material para que se possa utilizar oscarboidratos em sua forma mais simples. Ex: capim-elefante (Pennisetumpurpurem Schumach); gramíneas forrageiras, etc.
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Etanol Celulósico
OHn-2H
O
OHOH
CH2HO OH
OHCH2
OHCH2
HO
HO OH
O
OOO
Hidrólise
Motivação: obtenção de combustível líquido
Produção de celulose: 100 bilhões t/ano; 70 Kg/dia/habitante
Celulose: compreende cerca de 2/3 de toda matéria orgânica da Terra
OHHO
OHglicose
CH2 OOHHO
fermentação
levedurasetanol
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CUSTO POR PRODUÇÃO(Embrapa)
1 litro de etanol da cana: 0,34 dólar/litro
1 litro de etanol derivado do milho: 0,50 dólar/litro
1 litro de etanol de celulose: 1,10 dólar/litro
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MADEIRA, GERALMENTE O EUCALIPTO, PARA FAZER
CARVÃO VEGETAL
Eucalipto e Florestas Energéticas
Forma maciços florestaisque gera uma grande quantidadeque gera uma grande quantidadede energia por hectare, no menorespaço de tempo possível, temespécies de rápido crescimentoe alta massa específica,tolerância à alta densidade deárvores por área e menor ciclode corte (plantios de curtarotação).
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+ Madeira Calor
Carbonização
Forma lenta de pirólise empregada há séculos a fim de converter a lenha em um
combustível mais homogêneo e de maior densidade energética
Pirólise da Biomassa
Voláteis condensáveis
Gases
Cinzas
Carvão vegetal
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BIOGÁS O Biogás é uma mistura gasosa
composta principalmente de
metano (CH4).
Gás produzido por meio da fermentação
de resíduos orgânicos: resíduos
de animais e resíduos de animais e resíduos agrícolas.
Nos biodigestores, as bactérias digerem a
biomassa e produzem biogás. O Biogás pode ser utilizado
para cocção de alimentos e geração de energia elétrica.
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BIODIESEL Para produzir biodiesel utilizamos plantas que
produzem óleo
Oleaginosas: óleo de dendê, de soja, de
girassol, de mamona, etc.
Exemplos de Oleaginosas: Anajá (Maximiliana maripa (Correa) Drude), Buriti(Mauritia flexuosa L. f.), Canola (Brassica napus L. var. oleifera.), Canudo-de-pito(Mabea fistulifera Mart.), Cártamo (Carthamus tinctorius L.), Castanha-do-brasil(Bertholletia excelsia), Gergelim (Sesamum indicum L.), Girassol (Helianthusannus L.), Linhaça (Linum usitatissimun L.), Mamorana (Pachira aquática Aubl.),Marajá (Bactris tomentosa Mart.), Nabo forrageiro (Raphanus sativus L.), Perinão(Markleya dahlgreniana (Bondar) Wess. Boer.), Pinhão-manso (Jatropha curcasL.), Saboneteiro (Sapindus saponaria L.), Sapucaia (Lecythis pisonis Camb.),Tucumã (Astrocaryum aculeatum G.F.W. Mayer), Tungue (Aleurites fordii Hemsl. eA. montana (Lour.) Wils.) e Ucuúba (Virola surinamensis (Rol.) Warb.).
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Biodiesel
Pode ser utilizado puro ou
misturado com o óleo diesel na
proporção de 5 a 30% em
motores diesel convencionais,
sem a necessidade de adaptação
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Biodiesel
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Transesterificação de Óleos Vegetais
CH3H2C O C
O
(CH2)14
CH3HC O C
O
(CH2)16
CH3H2C O C
O
(CH2)16
ÓLEO VEGETAL
+ CH3 CH2 OH
ÁLCOOL
TRANSESTERIFICAÇÃO
O C
O
CH2 CH3CH3 (CH2)162CH3 (CH2)14 O C
O
CH2 CH3
BIODIESEL
+CH2 CH CH2
OH OH OH
GLICERINA
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Buriti
Presente no oesteda Amazônia brasileira,numa área superior a 8milhões de hectares. Commilhões de hectares. Comuma produtividade nativade 500 plantas por hectare,a capacidade anual deprodução é de 5 toneladasde óleo por hectare. Opotencial de produçãoanual pode alcançar 40milhões de toneladas deóleo.
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BabaçuOcupa uma área
nativa estimada em 14milhões de hectares,dos quais 70% estão noMaranhão.
A produtividadeA produtividademédia é de 200 plantaspor hectare e opotencial de produção éde 5 milhões detoneladas de óleo porano. Estima-se que estepotencial pode serdobrado com manejoagronômico.
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Dendê (óleo de palma)As condições climáticas e de
solo tanto da região sul - baiana quantoda Amazônia permitem uma fáciladaptação desta oleaginosa de origemafricana. A palma africana (dendezeiro)pode ser cultivada em solos pobres,como o são a maioria dos solos daAmazônia e estabelece rapidamenteuma cobertura arbórea, imitando auma cobertura arbórea, imitando afloresta tropical. A formação deflorestas de dendê pode ocorrer emáreas de solo degradado pelasqueimadas ou por intensa atividadepecuária. O dendezeiro apresenta umgrande rendimento por hectareplantado, com a produtividade de 3 a 6 tóleo/ha/ano, enquanto a produtividadeda soja, por exemplo, é da ordem de 0,4a 0,5 t/ha/ano
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Plantas aquáticas que possuempotencial para geração de energia.Entre elas estão o aguapé ou lírioaquático (Eichhornia crassipesMartius.); algas e microalgas.
Aguapé, Eichhornia crassipes Martius.
Aguapé
O aguapé se sobressai por possuir a capacidade de fixar, nosseus tecidos, nutrientes em quantidades superiores às necessidades deseu metabolismo, além de elementos químicos estranhos à sua nutrição(como os metais pesados).
Outro destino adequado a esta biomassa é sua utilização embiodigestores anaeróbicos com a finalidade de obtenção de biogás. Alémdo gás obtido no processo, é produzido no interior do biodigestor umexcelente fertilizante (Cuidado! Ver questão de metais pesados!!!!!).
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FONTES DE BIOENERGIA: Resíduos Orgânicos
Resíduos orgânicos - Agropecuários: mandioca, o objetivo é a produção deraízes, sendo o restante da planta (parte aérea e cepa) considerado resíduo.Estima-se que o resíduo pode ter entre 30 a 50% da matéria seca produzida,viabilizando sua utilização para combustão e geração de energia. Poder caloríficodo resíduo: 15,76 MJ/kg.
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FONTES DE BIOENERGIA: Resíduos Orgânicos
Resíduos orgânicos - urbanos: são aqueles resíduos sólidos gerados nosambientes doméstico e comercial. Sendo assim, englobam domicílios, escritórios,escolas, hotéis, restaurantes, varredura e podas urbanas, entre outros. Pode-sedefinir como resíduo urbano ou lixo: os restos das atividades humanas,considerados pelos geradores como inúteis, indesejáveis ou descartáveis.
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FONTES DE BIOENERGIA: Resíduos Orgânicos
Resíduos orgânicos - Agroindustriais: Em geral, os resíduos agroindustriaisgerados possuem valor energético, reduzindo a dependência da energiacomprada e são utilizados para a geração de vapor ou eletricidade. Os setorescom possibilidade de aproveitamento de seus resíduos:
• Indústrias de açúcar e álcool;• Matadouros e frigoríficos; curtumes; indústrias da pesca;• Fábrica de doces e conservas;• Indústria da madeira;• Indústria de papel e celulose.
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Rotas de Produção
de
Energia a partir de Energia a partir de
Biocombustíveis
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COMBUSTÃO
♣♣♣♣ Reação exotérmica muito rápida entre a madeira (combustível) e o
oxigênio (ar: 21% O2 e 79% N2) acompanhada por liberação de calor
♣♣♣♣ O termo combustão completa é usado para descrever a reação ideal de combustão, quando todo o carbono no combustível é oxidado (reage com oxigênio) para dióxido de carbono, todo hidrogênio para água e todo enxofre para dióxido de enxofre
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Diferentes Tipos de Fogões para Biomassa
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Tipo de fogão Eficiência
Fogão de 3 pedras 7 – 10 / 10 - 15
Eficiências registradas em diferentes tipos de fogões à lenha e cozinhas comerciais
Fogão “pesado” com chaminé 15 - 23
Fogão sem chaminé para uma panela 30 - 35
Fogão sem chaminé para duas panela 18 - 22
Fogão compacto para serragem 15 / 32 – 36
Fogão à gás 57
Fogão elétrico 50
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ELEMENTOS QUÍMICOS NA BIOMASSA RESPONSÁVEIS PELA LIBERAÇÃO
DE CALOR
CH CH
S
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UM COMBUSTÍVEL PODE CONTER UMA PORÇÃOINCOMBUSTÍVEL
CINZASUMIDADE
OXIGÊNIO E NITROGÊNIO
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ProcessosFísicos
Densificação: pellets e briquetes
Redução granulométrica: aparas
Prensagem mecânica: óleo vegetal
Processos de Conversão Energética da Biomassa
para a obtenção de biocombustíveis de maior
densidade energética
BIOMASSA Processos Termoquímicos
Combustão
Pirólise
Gaseificação
Liquefação: hidrocarbonetos, bioóleos
Processos Biológicos
Fermentação: etanol
Digestão anaeróbica: biogás
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BriqueteBriqueteOO briquetebriquete ee pelletspellets éé
umum pequenopequeno blocobloco dede formaformaprépré--definida,definida, resultanteresultante dadaaplicaçãoaplicação dede pressãopressão ememumauma misturamistura dede resíduos,resíduos,dentrodentro dedemoldesmoldesmatrizesmatrizes..
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VERSÕES DA TECNOLOGIA DE PIRÓLISE
Processo de
Pirólise
Tempode
residência
Taxade
aquecimento
TemperaturaMáxima (ºC)
ProdutosPrincipais
Carbonização Horas-dias Muito pequena 400 Carvão vegetal
Convencional 5-30 min Pequena 600 Bioóleo,Carvão e gás
Rápida 0.5-5s Intermediária 650 BioóleoRápida 0.5-5s Intermediária 650 Bioóleo
Flash pirólise <1s Alta <650 Bioóleo e gás
Ultra-rápida <0.5s Muito alta 1000 Produtos químicos e gás
combustível
Vácuo 2-30s Intermediária 400 Bioóleo
Hidropirólise <10s Alta <500 Bioóleo e produtos químicos
Metanopirólise <10s Alta >700 Produtos químicos
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Gaseificação da BiomassaGaseificação da Biomassa
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Gaseificação da Biomassa
A gaseificação é um processo
termoquímico de conversão da biomassa
(lenha ou carvão vegetal) num gás com(lenha ou carvão vegetal) num gás com
características basicamente combustíveis.
O gás combustível possui CO e H2 como
os mais importantes componentes
energeticamente ativos.
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Fundamentos Teóricos da Gaseificação
► Todo gaseificador tem uma etapa de pirólise precedendo a etapa de
gaseificação e as reações envolvidas podem ser analisadas
separadamente.
Secagem e Pirólise
► Evaporação da água
► Decomposição térmica dos polissacarídeos com produção de voláteis
► Produção de alcatrão
► Gases não condensáveis: CO, CO2, H2, CH4, O2
► Carvão vegetal
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Fundamentos Teóricos da Gaseificação
As reações químicas que ocorrem na zona de combustão são
basicamente a combinação de oxigênio do ar com o carbono e o
hidrogênio
Combustão
É a oxidação do carbono em altas temperaturas e em contato comÉ a oxidação do carbono em altas temperaturas e em contato como oxigênio, produzindo calor para manter as reações
► Objetivo: liberação de energia na forma de calor (energia térmica)
► Biomassa (C,H,O) + O2 → CO2 + H2O (combustão completa)
► Biomassa (C,H,O) + O2→ CO (combustão incompleta)
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Gaseificação do Carbono (~ 700 a 1000ºC)
Gás carbônico é reduzido endotermicamente para CO. O vapor de
água sofre várias reações com o carbono (C) produzindo hidrogênio (H2).
O hidrogênio ao passar através do carbono quente se combina com este
formando hidrocarbonetos leves, principalmente metano.
ReaçõesReações
► C (sólido) + CO2 → 2 CO (gás)
► C (sólido) + H2O → CO + H2 (gases)
► C (sólido) + 2H2O → CO2 + 2H2 (gases)
► C (sólido) + 2 H2 → CH4 (gás)
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CO como matéria-prima de compostos orgânicos
As misturas de CO e H2 levam a formação de muitos produtos
orgânicos dependendo da temperatura, da pressão e do catalisador.
Síntese do MetanolSíntese do Metanol
CO (g) + H2 (g) → CH3OH (álcool)
O metanol é preparado na presença de catalisador de óxido
de zinco-óxido de cromo III (ZnO-Cr2O3)
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CO como matéria-prima de compostos orgânicos
As misturas de CO e H2 podem ser convertidas, pela metanização
catalítica à metano que pode ser usado como combustível
Síntese do MetanoSíntese do Metano
CO (g) + 3H2 (g) → CH4 + H2O
O metano é preparado na presença de catalisador de níquel
(Ni)
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CO como matéria-prima de compostos orgânicos
As misturas de CO e H2 podem ser convertidas em gasolina
sintética pelo uso apropriado de catalisador. Estes combustíveis líquidos
contêm muitos hidrocarbonetos, como o octano C8H18
Síntese do Octano
8CO (g) + 17H2 (g) → C8H18 + 8H2O
O metano é preparado na presença de catalisador Fe-CO