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Melhorias no processo de pirólise
da biomassa
para produção de carvão vegetal
Alfredo NAPOLI
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
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I – Contexto
II – Os processos de pirólise
III – Os principais caminhos de melhoria
IV – Alguns exemplos de melhoria a nível de P&D
V – Conclusões e perspectivas
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Sumário
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I – ContextoPorque produzir carvão vegetal hoje ?
Países tropicais em desenvolvimento : Principal fonte de energia com a biomassa na África e Ásia Madeira nativa – Problema do desmatamento Uma cidade Phnom Penh : 350 000 t carvão/ano
Países tropicais desenvolvidos : Para ser usado principalmente na indústria siderúrgica : Brasil é o único
caso Madeira plantada e nativa – evolução para um sistema sustentável ? Uma usina siderúrgica : 300 000 t carvão/ano
Países tropicais desenvolvidos : Para lazer (churrasco) Resíduos da indústria madeireira França : 60 000 t carvão/ano
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I – ContextoQual futuro para o carvão vegetal ?
Longo prazo : Imaginar o futuro sem Carbono fóssil, de forma sólida, líquida ou gasosa ?
Médio prazo : Desenvolver tecnologias mais eficientes
Países tropicais em desenvolvimento : Fonte de energia independente garante o desenvolvimento ?
Países tropicais desenvolvidos : Desenvolvimento industrial, independência energética de forma
sustentável,…
Países tropicais desenvolvidos : Carvão vegetal como um dos vetores energéticos limpos do futuro? Tentar solucionar o problema ambiental com à produção de Carbono
Vegetal para tecnologia de gaseificação – fischer tropsch, etc...
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I – ContextoQuais problemas e como resolve-los?
Produzir biomassa de forma sustentável e transformá-la com adequadas qualidade do produto final
No caso do processo de pirólise : Desenvolver/melhorar tecnologias:
De forma industrial e grande capacidade
Economicamente viável
Tecnicamente eficiente
Socialmente justo
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I – Contexto
Infelizmente, não exista uma solução única que pode ser aplicada em qualquer lugar.
As soluções dependem dos fatores técnicos, econômicos, ambientais e sociais.
Brasil é um pais modelo para esse desafio : produção de biomassa plantada com finalidade industrial para o carvão vegetal
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II – Os processos de pirólise
Do forno meda a planta contínua ... Com o tempo e a localização geográfica
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II – Os processos de pirólisePaíses industriais não tropicais : forno contínuo
Combustão parcial ou gás quente externo Forno vertical continuo e automatizado Capacidade : 2 500 – 10 000 t/ano Material : Resíduos cortados
Câmara de combustão dos gases Controle do processo de fluxo e
temperatura Op. : Gas para secar Op. : Gas para produção eletricidade
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Contrôle do peso
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Combustão parcial Bateria : 8 – 12 fornos juntos 1 forno : 16 m3
Ciclo : 5 – 24 oras
Material : Resíduos cortados Capacidade : 2 500 t/ano Câmara de combustão dos gases Op. : Controle do processo por peso
II – Os processos de pirólisePaíses industriais não tropicais : forno batch
Combustão gases
Carga de madeira
Control do ar
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II – Os processos de pirólisePaíses industriais tropicais : forno batch
Combustão parcial 1 forno : 200-700 m3
Capacidade : 2000 t/ano Ciclo : 15 dias Material : toras
Opt. : Bateria : 2 fornos ou mais ? Opt. : Câmara de combustão dos gases Opt. : Controle do processo por temperatura
Controle do ar
Carga de toras de madeira e
descarga carvão
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Para desenvolver e melhorar os processos é preciso melhor entenderos fenômenos que controlam a conversão da biomassa em carvão :
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III – Os principais ações de melhoria
Melhorar a produtividade
Melhorar o balanço energético e ambiental
Melhorar a qualidade do carvão
.... Relacionado com o custo final
o efeito da composição da madeira : lignina, celulose e hemicelulose, a importância das reações químicas : cinética das reações primárias
e secundárias as limitações da transferência de calor e de massa
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III – Os principais ações de melhoriaMelhoria da produção (com qualidade) :
Aumentar o rendimento carvão (atividade de P&D) : Influência do material – seleção clonal
Influência dos parâmetros de pirólise : taxa, pressão,...
Aumentar a produtividade (t/ano) : com fornos batch :
Mesmo ciclo : aumentar o volume de forma simétricaMesmo volume : diminuir o ciclo : secagem, refriamento,...
com forno contínuo :Aumentar o tamanho ? Desafio industrial
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Exemplos de melhorias com fornos batch
Aumento do tamanho Redução do ciclo através do resfriamento
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III – Os principais ações de melhoriaMelhoria da produção (com qualidade) :
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III – Os principais ações de melhoriaMelhorias energéticas e ambientais:
Reduzir o gasto energético, principalmente da parte de secagem
Valorização dos sub-produtos (40% da energia da madeira)
Redução dos gases de efeito estufa
Modificação do balance energético das reações de pirólise (favorecer as reações exotérmicas)
A combustão dos efluentes de pirolise no caso de reatores batch temque ser quemados por meio de sistemas bateria para solucionar oproblema de variações da qualidade dos gases durante o ciclo
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Exemplos de melhorias com fornos batch
Queimador Condensador e quemador alcatrão
Bateria
III – Os principais ações de melhoriaMelhorias energéticas e ambientais:
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Qualidade carvão é o resultado das interações entre a madeira e as condições de tratamento por cada etapa : secagem, torrefação, pirólise endotérmica depois exotérmica e resfriamento
Macro ATG piloto industrial na V&M
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III – Os principais ações de melhoriaMelhorar a qualidade do carvão :
Controlar a qualidade do carvão na produção : não é fácil !
Necessita estudos de P&D : À nível microscópico À nível macroscópico À nível industrial
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Exemplo 1 : Aumentar o rendimento do carvão (com mesma qualidade)
Exemplo 2 : Desenvolver ferramentas rápidas de medição da qualidade do carvão como NIRS
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IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
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Reator piloto batch no Cirad (1MPa - 650°C)
forno
SV
M
T0T1T2
R
T3T4T5
P
CP
V1
V2
V1
Objetivo : Estudar o efeito da Pressão, Temperatura e taxa na produção de carvão vegetal
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IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de
P&D
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O rendimento em carvão aumenta com a pressão alta (1 MPa) e taxa de aquecimento baixa (120°C/h)
O rendimento em carbono fixo aumenta com a pressão alta
0,00%
5,00%
10,00%
15,00%
20,00%
25,00%
30,00%
35,00%
40,00%
45,00%
50,00%
1 2 3 4 5 6 7 8
Experiment n°
Ch
arc
oa
l yie
ld (
%w
t d
ry)
Charcoal yield (1 bar)Charcoal yield (10 bar)
T = 550°C T = 650°C
HR = 2°C/min HR = 5°C/min HR = 2°C/min HR = 5°C/min
T = 2 hours T = 4 hours T = 2 hours T = 4 hours T = 2 hours T = 4 hours T = 2 hours T = 4 hours
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
1 2 3 4 5 6 7 8
Experiment n°
Fix
Ca
rbo
n Y
ield
(%
wt
dry
)
Fix Carbon Yield (1 bar)Fix Carbon Yield (10 bar)
T = 550°C T = 650°C
HR = 2°C/min HR = 5°C/min HR = 2°C/min HR = 5°C/min
T = 2 hours T = 4 hours T = 2 hours T = 4 hours T = 2 hours T = 4 hours T = 2 hours T = 4 hours
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IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
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Rendimento carvão Rendimento carbono fixo
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0,1 MPa 1 MPa
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IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de
P&D
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Quais são os fenômenos que controlam/modificaram a pirólise ?
Qual é o impacto de cada componente principal da biomassa na pirólise ? Mudará as condições de seleção clonal ?
Quais as mudanças nas propriedades do carvão vegetal ?
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Equipamento TG
Blocos de comando e
visualização
Computador de apoio
(programa)
ATG Alta Pressão
Temperatura max : 1000°C
Pressão max : 15 MPa
Taxa max: 30 °C/min
Cadinho(30 mg de amostra)
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IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
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IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
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ATG CelluloseATG EucalyptusE. urophylla x E. grandis
Pesquisa sobre relações taxa de aquecimento, pressão e rendimento em carvão vegetal
Avaliar o efeito das reações secundárias
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Modo de reflexão difusa R = 1/(logA)
Faixa espectral: 800 - 3.500 nm [12.500 -3.500 cm-1]
Resolução espectral: ~2 nm [8 cm-1]
Amostra moída
0,2 mm
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IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
Objetivo : Desenvolver medição rápida das propriedades do carvão para um maior controle do processo e do produto final
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600 1 000 1400 1 800 2 200 2 600 3 0000
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Wavelength (nm)
R
Assinatura espectral do carvão
Propriedade estudadas Intervalo (%)
Umidade (TU) 1,46 - 6,31
Materiais voláteis (TMV) 3,52 - 48,50
Cinzas (TCZ) 0,16 - 6,37
Carbono fixo (TCF) 49,50 - 95,70
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IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
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Umidade (TU)
Materiais voláteis (TMV)
Cinzas (TCZ)
Carbono fixo (TCF)
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.070.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Predicted values (NIRS)
Actu
al valu
es
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.040
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
Predicted values (NIRS)
Actu
al valu
es
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Predicted values (NIRS)
Actu
al valu
es
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Predicted values (NIRS)
Actu
al valu
es
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IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
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Melhorias no processo de pirólise da biomassa para produção de carvão vegetal
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V – Conclusões e perspectivas
Fornos batch em bateria pode ser uma opção interessante... é um desafio
Outros fornos industriais de tipo contínuo é a outra opção e também umdesafio
A qualidade do carvão e as interações com a biomassa original tem quese pesquisar mais em relação com o uso final
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V – Conclusões e perspectivas
O Carvão Vegetal tem um futuro promissor produzido com biomassaadquirida de forma sustentável
O carvão vegetal pode ser uma das opções para solucionar o problemade desenvolvimento industrial dos paises tropicais junto com o problemaambiental mundial
Os processos de pirólise têm um desafio grande : Desenvolvertecnologia industrial de grande capacidade, limpa, tecnicamenteeficiente, socialmente justo e economicamente viável
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Contato
[email protected] (CIRAD – UFLA – V&M)
[email protected] (Diretor Cirad Brasil)
[email protected] (Novo Diretor Cirad Brasil)
Agradecimentos:
Prof. Brito - ESALQ
Prof. T.J. Lima e P.F. Trugilho e Renato, Ana Carolina e Paulo – UFLA
Dr. T.J Raad – V&M
Ing. P. Gallet, Dr L. Brancheriau, Dr G. Chaix - CIRAD
28/28
Obrigado !
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa