COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nº 176164

Potencial energético de diferentes biomassas disponíveis no Brasil Jorge Luis Dias dos Santos

Palestra e Pôster apresentada Congresso Internacional de Biomassas,4., 2019, Curitiba. 18 slides

A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

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IV Congresso Internacional de Biomassa, Curitiba, PR – 2019.

IV CIBIO – dias 25, 26 e 27 de

junho de 2019 – Curitiba, PR –

Expotrade Convention Center

Potencial energético de diferentes biomassas disponíveis no Brasil

Jorge Luis Dias dos Santos1, Pâmela Coelho Tambani

2

1Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo, jlsantos@ipt.br

2Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo.

Resumo

Este trabalho teve como objetivo caracterizar diferentes tipos de biomassas e

resíduos disponíveis no Brasil visando sua aplicação na cogeração de energia. Foram

analisadas 98 amostras para as características de poder calorífico e teores de hidrogênio,

enxofre e cinzas. Os resultados evidenciaram a variação do potencial energético existente

entre as biomassas e a forte influência dos teores de cinzas e umidade na energia resultante

da combustão. O teor de enxofre também foi quantificado e, com exceção da cama aviária,

apresentou resultados baixos, que corroboram com a redução das emissões de SOx.

Palavras-chave. Biomassa. Caracterização. Poder calorífico. Fontes renováveis.

Introdução

Devido à crescente necessidade de uma matriz energética mais limpa e renovável e visando a

mitigação dos impactos ambientais, a biomassa representa uma importante fonte alternativa

para o Brasil devido à elevada quantidade de resíduos gerados nos setores agrícola, industrial

e urbano (PEREIRA et al., 2015; BONASSA et al., 2018; FERREIRA et al., 2018).

A utilização da biomassa corroborará também com as políticas estabelecidas no país referente

às metas relativas à energia renovável. Sendo assim, o Brasil precisará manter sua taxa

crescente de produção de biomassa visando atender a demanda interna e também o mercado

internacional (WELFLE, 2017).

Sabe-se que a combustão da biomassa é fortemente afetada pelas suas propriedades físico-

químicas. Portanto, é necessário controlar as variações dessas características para otimizar o

uso da biomassa para geração de energia (DEBONI et al., 2019).

As características físico-químicas da biomassa podem variar consideravelmente dependendo

do tipo de biomassa e do pré-tratamento aplicado. Como estas propriedades influenciam na

escolha, do método e também no controle do sistema de combustão, é importante conhecer

estes parâmetros para otimizar os processos. Uma das principais características é o poder

calorífico que corresponde à energia na forma de calor liberada pelo material na combustão e

é expresso de duas formas: o poder calorífico superior (PCS) e o poder calorífico inferior

(PCI). O PCS considera que a água formada durante a reação de combustão, devido à reação

que ocorre entre o hidrogênio presente na composição da amostra, é condensada e que o calor

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gasto em sua evaporação é recuperado enquanto o PCI estabelece o potencial energético

teórico contido no combustível pois desconta a energia gasta para a evaporação da água

formada (IGNACIO et al., 2019).

O trabalho apresenta a caracterização de diferentes tipos de biomassa disponíveis no Brasil

visando avaliar seu potencial energético.

Material e Métodos

Os ensaios foram realizados no Laboratório de Combustíveis e Lubrificantes (LCL) do

Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A – IPT. As biomassas foram

secas e moídas em moinho de facas tipo Willye para obtenção da granulometria de 60 mesh e

as normas ASTM E1756 e ASTM E871 serviram de base para a determinação do teor de

umidade das amostras de biomassa e madeira, respectivamente.

A determinação do teor de hidrogênio foi realizada com base na norma ASTM D5373,

utilizando o analisador elementar da marca Thermo, modelo Flash 2000. Neste método, a

amostra é submetida a uma combinação de elevada temperatura (950°C) com uma vazão de

oxigênio (99,999% de pureza) de 20 mL/min, que resulta no processo de combustão da

amostra. O detector de condutividade térmica (TCD) registra o sinal elétrico referente à

concentração do elemento.

A norma ASTM D4239 foi utilizada como referência na determinação do teor de enxofre

total. A análise foi realizada no equipamento LECO, modelo S-144 DR Dual Range Sulfur

Analyzer pela combustão da biomassa à 1350 °C e subsequente análise do gás produzido. No

processo de combustão, o enxofre é convertido em SO2 e detectado pela célula de

infravermelho.

A determinação do teor de cinzas foi realizada com base nas normas ASTM E1755 e ASTM

D1102 para as amostras de biomassa e madeira, respectivamente. Neste ensaio as cinzas

foram obtidas pela combustão da biomassa em mufla elétrica, marca Fornitec, a 550°C até

obtenção de massa constante.

A determinação do poder calorífico superior foi realizada em bomba calorimétrica, utilizando

o equipamento marca Parr, modelo 6400 pela combustão de 1 g de amostra compactada e

subsequente quantificação da energia liberada. Para esta determinação a norma ASTM

D5865 foi utilizada como referência.

Os ensaios foram realizados em duplicata para obtenção da média.

Resultados e discussão

A Tabela 1 apresenta os resultados da caracterização das biomassas. Para alguns materiais

foram ensaiados um número maior de amostras e a média obtida foi reportada na tabela. Os

resultados apresentados estão em base seca, ou seja, referem-se às biomassas isentas de

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umidade. Para o cálculo do poder calorífico inferior, foram utilizados os resultados obtidos

nos ensaios de poder calorífico superior e do teor de hidrogênio.

Tabela 1: Caracterização de diferentes biomassas disponíveis no Brasil

Biomassa nº

amostras

Hidrogênio

(% massa)

Enxofre

(% massa)

Cinzas

(% massa)

PCS

(MJ/kg)

PCI

(MJ/kg)

Bambu 2 6,36 <0,1 0,6 19,3 18,0

Sorgo 1 6,61 <0,1 3,0 17,7 16,4

Capim elefante (baixo teor de cinzas) 1 6,25 <0,1 3,2 18,9 17,6

Capim elefante (alto teor de cinzas) 1 5,75 0,17 10,9 17,6 16,4

Algodão 3 6,07 <0,1 3,8 18,8 17,5

Bagaço de uva 1 6,12 0,2 5,7 20,0 18,7

Bagaço de cana (cinzas até 5% massa) 28 6,00 <0,1 3,2 18,9 17,6

Bagaço de cana (cinzas de 5% massa a 9% massa) 12 5,95 <0,1 6,1 18,2 16,9

Bagaço de cana (cinzas de 9% massa a 17% massa) 4 5,51 <0,1 11,8 17,2 16,0

Fibra de dendê 1 6,24 <0,1 3,5 20,4 19,0

Sabugo de milho 2 6,00 <0,1 2,4 18,8 17,6

Caroço de açaí 1 6,81 0,11 1,2 18,8 17,4

Casca de soja 1 6,34 0,12 6,1 17,5 16,1

Casca de arroz 1 5,85 <0,1 8,8 18,1 16,9

Casca de amendoim 4 6,23 0,14 5,2 20,4 18,8

Palha de coco 1 6,31 0,14 5,1 20,2 18,9

Casca de coco (teor de cinzas ~1,8% massa) 1 6,09 <0,1 1,8 21,1 19,8

Casca de coco (teor de cinzas ~13% massa) 1 5,17 <0,1 13,1 17,5 16,4

Casca de coco (teor de cinzas ~27% massa) 1 4,65 <0,1 26,7 14,8 13,8

Cama aviária 1 4,51 0,57 27,2 12,8 11,8

Casca de eucalipto 3 5,53 <0,1 12,2 16,5 15 3

Casca de Pinus 1 6,30 <0,1 0,4 20,4 19,0

Madeira (cavaco e lenha) 18 6,32 <0,1 1,1 19,6 18,2

Serragem 2 6,35 <0,1 1,0 19,8 18,4

Poda de árvore 1 6,15 <0,1 3,1 20,7 19,4

Palha de milho 4 6,11 0,12 3,4 18,6 17,3

Palha de arroz 1 5,32 <0,1 18,1 15,5 14,4

Os resultados de teor de hidrogênio dos materiais estudados variou na faixa de 5 e 6 % m/m.

Como na etapa de crescimento da biomassa o hidrogênio está associado à formação de

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celulose, hemicelulose e lignina, ele corrobora com a elevação do potencial energético. Em

contra partida, na reação de combustão da biomassa, o hidrogênio afeta negativamente o

potencial energético devido à formação de água (OBERNBERGE et al., 2005).

As biomassas também apresentaram teores de enxofre baixos, o que representa uma

vantagem devido à redução das emissões de SOx e a diminuição dos problemas relacionados

à corrosão nos sistemas de combustão. O teor de enxofre mais elevado observado foi cama

aviária, que é composta por substrato (restos de culturas agrícolas), excrementos, restos de

ração e penas, apresentando teores de diversos minerais em sua composição, como o enxofre.

Os resultados de poder calorífico superior e inferior apresentados na tabela evidenciam a

variação do potencial energético das diferentes biomassas e a relação de proporcionalidade

inversa existente entre o poder calorífico e o teor de cinzas. O teor de cinzas representa os

resíduos incombustíveis, como minerais e outros materiais inorgânicos e varia

consideravelmente em função do tipo e da qualidade da biomassa. Na prática, representam o

material a ser removido das caldeiras e estão associadas aos problemas de incrustrações e

corrosão dos sistemas de combustão (IGNACIO et al, 2019; DEBONI, 2019).

Além das cinzas, o teor de umidade também exerce uma forte influência no PCI, como pode

ser observado na Figura 1 na qual o PCI de uma amostra de madeira é corrigido para base

úmida considerando diferentes teores de umidade.

Figura 1: Poder calorífico inferior em base úmida para diferentes teores de umidade.

A relação de proporcionalidade inversa é obtida porque parte da energia gerada na combustão

é consumida na evaporação da água presente na biomassa (Ignácio, 2019). Outra

desvantagem da utilização de biocombustíveis com elevado teor de umidade é o tamanho da

caldeira que precisa ser maior devido à redução da eficiência (Deboni et al, 2019). A umidade

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

PC

I -

MJ

/kg

Umidade - % massa

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de cada biomassa estudada não foi apresentada porque esta característica é muito variável

devido à influência de diversos de diversos fatores como: tipo da biomassa, clima, tempo e

condições de armazenamento e transporte (Brito et al, 1979).

Conclusão

Os resultados apresentados confirmam que as biomassas disponíveis no Brasil apresentam

um grande potencial energético para serem utilizadas como fontes de energia limpa,

contribuindo com a diminuição da poluição e da subutilização de um material que pode

agregar valor nas operações de geração de energia. Neste sentido, o conhecimento das

propriedades físico-químicas da biomassa representa um fator chave, pois a melhoria de tais

propriedades pode elevar a qualidade deste biocombustível para geração de energia e torná-la

mais competitiva.

Referências Bibliográficas

ASTM D 1102-84, “Standard Test Method for Ash in Wood”. (2013) American Society for Testing and

Materials. West Conshohocken, PA, USA.

ASTM D 5865.“Standard Test Method for Gross Calorific Value of Coal and Coke”. (2013) American Society

for Testing and Materials. West Conshohocken, PA, USA.

ASTM D4239. “Standard Test Method for Sulfur in the Analysis Sample of Coal and Coke Using High-

Temperature Tube Furnace Combustion”. (2017) American Society for Testing and Materials. West

Conshohocken, PA, USA.

ASTM D5373, “Standard Test Methods for Instrumental Determination of Carbon, Hydrogen, and Nitrogen in

Laboratory Samples of Coal”, (2016) American Society for Testing and Materials. West Conshohocken, PA,

USA.

ASTM E 1755-01. “Standard Test Method for Ash in Biomass”, (2015) American Society for Testing and

Materials. West Conshohocken, PA, USA.

ASTM E 1756-08. “Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”. (2015) American

Society for Testing and Materials. West Conshohocken, PA, USA.

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Society for Testing and Materials. West Conshohocken, PA, USA.

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TELEKEN, J. G. (2018) Scenarios and prospects of solid biofuel use in Brazil. Renewable and Sustainable

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BRITO, J. O.; BARRICHELO, L. E. G. (1979) Usos diretos e propriedades da madeira para geração de energia.

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IV Congresso Internacional de Biomassa, Curitiba, PR – 2019.

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OBERNBERGER, I.; BRUNNER, T.; BARNTHALER, G. (2005) Chemical properties of solid biofuels-

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PEREIRA, S. C., MAEHARA L., MACHADO C. M. M., FARINAS, C. S. (2015) 2G Ethanol from the whole

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POTENCIAL ENERGÉTICO DE DIFERENTES BIOMASSAS

DISPONÍVEIS NO BRASIL

JORGE LUIS DIAS DOS SANTOS, PÂMELA COELHO TAMBANI

INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS DO ESTADO DE SÃO PAULO

LABORATÓRIO DE COMBUSTÍVEIS E LUBRIFICANTES; *LCL@IPT.BR

Sabe-se que a combustão da biomassa é fortemente afetada pelas suas

propriedades físico-químicas. Portanto, é necessário controlar as variações

dessas características para otimizar o uso da biomassa para geração de energia.

Uma das principais propriedades é o poder calorífico que corresponde à

energia na forma de calor liberada pelo material na combustão e é expresso de

duas formas: poder calorífico superior (PCS) e poder calorífico inferior (PCI).

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Apresentar a caracterização de diferentes tipos de biomassa disponíveis no

Brasil visando avaliar seu potencial energético.

Os ensaios foram realizados no

Laboratório de Combustíveis e

Lubrificantes (LCL) do Instituto

de Pesquisas Tecnológicas do

Estado de São Paulo S/A – IPT

Caracterização físico-química de biomassas

Secagem, Moagem e Peneiramento

(Procedimento IPT baseado em normas internacionais)

Análise imediata: teor de umidade (ASTM E1756 e ASTM E871), teor de cinzas (ASTM E1755 e ASTM D1102), Voláteis (ASTM

D3175) e carbono fixo (ASTM D3172)

Análise elementar: teores de carbono, hidrogênio e nitrogênio (ASTM D5373), enxofre (ASTM D4239) e oxigênio (ASTM

D3176)

Poder Calorífico Superior (PCS) e Poder Calorífico Inferior (PCI) - ASTM D5865.

Biomassa Quant. H (% massa)

S (% massa)

CZ (% massa)

PCS (MJ/kg)

PCI (MJ/kg)

Bambu 2 6,36 <0,1 0,6 19,3 18,0

Sorgo 1 6,61 <0,1 3,0 17,7 16,4

Capim elefante

(baixo teor de cinzas) 1 6,25 <0,1 3,2 18,9 17,6

Capim elefante

(alto teor de cinzas) 1 5,75 0,17 10,9 17,6 16,4

Algodão 3 6,07 <0,1 3,8 18,8 17,5

Bagaço de uva 1 6,12 0,2 5,7 20,0 18,7

Bagaço de cana

(cinzas até 5 % massa) 28 6,00 <0,1 3,2 18,9 17,6

Bagaço de cana

(cinzas de 5 % a 9 % (massa)) 12 5,95 <0,1 6,1 18,2 16,9

Bagaço de cana

(cinzas de 9 % a 17 % (massa)) 4 5,51 <0,1 11,8 17,2 16,0

Fibra de dendê 1 6,24 <0,1 3,5 20,4 19,0

Sabugo de milho 2 6,00 <0,1 2,4 18,8 17,6

Caroço de açaí 1 6,81 0,11 1,2 18,8 17,4

Casca de soja 1 6,34 0,12 6,1 17,5 16,1

Casca de arroz 1 5,85 <0,1 8,8 18,1 16,9

Casca de amendoim 4 6,23 0,14 5,2 20,4 18,8

Palha de coco 1 6,31 0,14 5,1 20,2 18,9

Casca de coco

(teor de cinzas ~1,8% massa) 1 6,09 <0,1 1,8 21,1 19,8

Casca de coco

(teor de cinzas ~13% massa) 1 5,17 <0,1 13,1 17,5 16,4

Casca de coco

(teor de cinzas ~27% massa) 1 4,65 <0,1 26,7 14,8 13,8

Cama aviária 1 4,51 0,57 27,2 12,8 11,8

Casca de eucalipto 3 5,53 <0,1 12,2 16,5 15 3

Casca de Pinus 1 6,30 <0,1 0,4 20,4 19,0

Madeira (cavaco e lenha) 18 6,32 <0,1 1,1 19,6 18,2

Serragem 2 6,35 <0,1 1,0 19,8 18,4

Poda de árvore 1 6,15 <0,1 3,1 20,7 19,4

Palha de milho 4 6,11 0,12 3,4 18,6 17,3

Palha de arroz 1 5,32 <0,1 18,1 15,5 14,4

A Tabela 1 apresenta os resultados da caracterização das biomassas. Para

alguns materiais foram ensaiados um número maior de amostras e a média

obtida foi reportada na tabela. Os resultados apresentados estão em base seca,

ou seja, referem-se às biomassas isentas de umidade. Para o cálculo do poder

calorífico inferior, foram utilizados os resultados obtidos nos ensaios de poder

calorífico superior e do teor de hidrogênio.

Os resultados apresentados confirmam que as biomassas disponíveis no

Brasil apresentam um elevado potencial energético para serem utilizadas como

fontes de energia. No entanto, existem grandes variações no poder calorífico

devido às diferenças químicas e físico-químicas inerentes a cada tipo de

biomassa. O teor de cinzas, que representa a fração inorgânica presente no

material e que não contribui no processo de combustão, e o teor de umidade,

que acarreta em um consumo de energia para sua evaporação, são fatores que

afetaram negativamente o potencial energético.

Tabela 1: Caracterização de diferentes biomassas disponíveis no Brasil

(resultados em base seca)