Avaliação do desempenho de queimador para combustão de peletes de biomassa

Diversos tipos de subprodutos de atividades agrícolas, agropecuárias, florestais, agroindustriais e urbanas, tais como cascas e outros resíduos lignocelulósicos, podem ser utilizados como combustíveis. O potencial disponível nesses resíduos nem sempre é conhecido, porém, corresponde a volumes significativos de energia subaproveitada. Muitas vezes os resíduos constituem um problema de caráter ambiental e sua disposição final é de difícil solução, sendo o uso energético uma saída oportuna e viável [13].

Ainda segundo esse autor, a baixa densidade de alguns tipos de biomassa, particularmente resíduos agrícolas e agroindustriais, como a casca de amendoim, torna o armazenamento difícil e o transporte inviável a longas distâncias. Uma alternativa para melhorar essa situação é a densificação da biomassa, transformando-a em peletes. Nesse processo de peletização, a biomassa é compactada em formato de pequenos cilindros com dimensões de 6 a 8 milímetros de diâmetro e comprimento de 10 a 40 milímetros. Os pellets são combustíveis de alta densidade de biomassa o que facilita sua estocagem e transporte. Adicionalmente, o manuseio dos peletes é facilitado por sua capacidade de fluir como a água, favorecendo a sua aplicação em processos de automatização industrial, além de serem usados para geração de energia térmica em sistemas industriais de aquecimento e em fornalhas de caldeiras das termelétricas para geração de energia elétrica [10].

Os pellets podem ser submetidos a tratamentos térmicos de pirólise branda denominada torrefação, gerando um combustível de maior densidade energética e de menor umidade de equilíbrio. O tratamento térmico de torrefação consiste em submeter à biomassa, no caso dos peletes, em faixas de temperaturas que variam de 200ºC a 300ºC, em tempos variados, gerando um combustível com poder calorífico entre a lenha in natura (4.000 kcal/ kg) e o carvão vegetal (7.000 kcal/ kg), [14].

Sob condições de pirólise branda, são degradadas principalmente as hemiceluloses, que consiste em uma fração hidrofílica da biomassa, e sua degradação térmica promove diminuição da higroscopicidade dos peletes torrados. Consequentemente, a biomassa higroscópica tende a ser hidrofóbica após a torrefação e o teor de umidade de equilíbrio (EMC) na biomassa é reduzido significativamente [9].

Neste processo de redução das hemiceluloses, que apresentam baixo conteúdo energético, e aumento do teor de lignina, sendo a macromolécula mais energética, resulta adicionalmente em um combustível de propriedade energéticas intermediário entre a biomassa e o carvão, com maior rendimento energético [7]. A torrefação permite concentrar a energia da biomassa em um produto formado em curto tempo, baixas taxas de aquecimento e temperaturas moderadas, permitindo reter os componentes de maior poder calorífico no produto.

OBJETIVOS

O objetivo geral deste trabalho é realizar o processo de torrefação em peletes de casca de amendoim e analisar se o tratamento térmico produz combustíveis de maior potencial energético que os peletes in natura (peletes comerciais como recebidos).

Os objetivos específicos deste trabalho são: Verificar a influência da torrefação no rendimento gravimétrico e umidade de equilíbrio dos peletes. Estimar o ganho energético do combustível, determinar as alterações químicas e as características das reações de desvolatização.

MATERIAIS E MÉTODOS

Neste estudo foram utilizados peletes comerciais de casca de amendoim. Estes foram submetidos a ensaios de torrefação em um forno tipo mufla. Inicialmente as amostras foram secas em uma estufa a 105 ± 2°C, num período mínimo de 2 horas. Posteriormente, colocou-se em média 45 gramas de peletes in natura em cadinhos (100ml) com tampas na mufla para o processo térmico. O processo de torrefação dos peletes ocorreu para uma combinação de 3 x 2 experimentos (temperaturas de 250 °C, 275 °C e 300 °C; tempo de residência de 20 e 60 minutos). Para a análise imediata das amostras torradas e in natura, foi utilizado como referência os procedimentos e metodologia apropriada para resíduos de biomassa, conforme norma para ensaio do Comitê Europeu de Normalização (CEN). Para o teor de umidade foi considerado a norma CEN/TS 14774-1:2004; teor de voláteis CEN/TS 15148:2005 e teor de cinzas CEN/TS 14775:2004. A determinação do teor de carbono fixo foi calculada por diferença, relacionando o teor de voláteis e cinzas.

A característica hidrofóbica dos peletes após a torrefação e o comportamento do teor de umidade de equilíbrio (EMC) foram determinados usando-se um dessecador, que permitiu manter a umidade relativa interna constante (33% a 26°C). O EMC é definido como a proporção de massa da amostra com o teor de umidade e a massa da amostra após processo de secagem.

Para determinação da densidade a granel após a torrefação, utilizou-se a metodologia estabelecida pela norma NBR 6922, para carvão vegetal. Promoveu-se uma adaptação da norma, utilizando-se cadinhos de porcelana com volume conhecido de 0,0001 m³, que foi preenchido até a borda com peletes. Para as medições de massa foi utilizado uma balança analítica com precisão de 0,001 g e linearidade de ±0,003 g.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os Resultados obtidos incluem características energéticas tais como: umidade de equilíbrio higroscópico, densidade a granel, teores de materiais voláteis, cinzas e carbono fixo, bem como rendimento gravimétrico e energético, poder calorífico superior e densidade energética. A torrefação resulta em menor teor de umidade de equilíbrio (EMC) das amostras tornando-as mais hidrofóbicas e promove diminuição gradativa do rendimento gravimétrico, com significativa perda de massa a partir de determinada temperatura e alcança máxima redução na condição extrema de temperatura/tempo. Em contrapartida houve um acréscimo no Poder Calorífico Superior (PCS), decorrente do aumento do teor de carbono fixo e redução do teor de voláteis. A figura a seguir apresenta as diferenças no aspecto da coloração em relação ao processo de torrefação.

Figura 1 – Peletes comercias in natura (como obtidos)

Fonte: Autor próprio

Figura 2 – Amostras torradas de peletes de casca de amendoim

Fonte: Autor próprio.

Os valores de rendimento gravimétrico, que é a relação em massa da madeira torrificada e in natura sob várias temperaturas