2º Congresso Ibérico de Biocombustíveis Sólidos 14 Junho 2011
Universidade do Minho, Guimarães, Portugal
ESTUDOS SOBRE A COMBUSTÃO DE CARVÕES VEGETAIS PORTUGUESES EM LEITO
FLUIDIZADO
PINHO, C.,
CEFT-DEMec, FEUP, Rua Dr. Roberto Frias, s/n 4200-465, Porto, Portugal.
RESUMO
O trabalho desenvolvido no Centro de Estudo de Fenómenos de Transporte (CEFT) quer no
DEMEC/INEGI no Porto, quer no DEMGI do ISPV consta da obtenção de dados cinéticos e
difusivos relativos à queima de carvões vegetais obtidos com madeiras de origem portuguesa.
Durante a queima de madeira o processo de combustão segue uma sequência de passos que se
definem como [1] secagem, pirólise e queima do resíduo sólido carbonoso. A duração desta última
parte é cerca de três a quatro vezes mais longa que as anteriores. Como tal, o estudo dos
aspectos cinéticos e difusivos da queima dos carvões vegetais é fundamental para a concepção de
sistemas de queima de biomassa lenhosa [2]. Por outro lado a disponibilidade de dados científicos
referentes à combustão de carvões vegetais é bastante limitada quando comparada com o que há
disponível para coques [3].
Embora a obtenção de dados cinéticos possa ser obtida por balanças termo gravimétricas, esta
metodologia obriga ao uso de baixas temperaturas para minimizar o peso da transferência de
massa na taxa da reacção, de modo a que a combustão seja controlada pela cinética. Contudo
para ensaios acima dos 700 ºC, tal não é verdade [4]. Os estudos efectuados no CEFT, vão desde
os 600 ºC até aos 900 ºC e são realizados em reactores em leito fluidizado borbulhante.
O leito fluidizado, permite detectar efeitos que componentes menores da cinza têm no
comportamento fluidodinâmico do leito, indiciando futuros problemas de corrosão e de qualidade
de fluidização em sistemas industriais [5]. Recorrendo-se a um modelo matemático simples, avalia-
se a resistência global à combustão, quantificando-se o peso da difusão e da cinética [6].
Foram inicialmente estudados dois carvões vegetais disponíveis no mercado, um carvão comercial
de pinheiro manso (Pinus pinea) e um carvão comercial de sobro (Quercus suber). Em
complemento recarbonizaram-se estes carvões em leito fluidizado com N2 e à temperatura de 850
ºC e estudou-se também a sua combustão. Todos os testes foram realizados em leito fluidizado
entre 600 e 750 ºC [6,7]. Foi ainda avaliada a influência da fragmentação primária das partículas [8]
na determinação dos dados difusivos e cinéticos. A fragmentação secundária foi desprezável.
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Universidade do Minho, Guimarães, Portugal
Actualmente estuda-se em Viseu a combustão de carvão obtido a partir de pinheiro bravo (Pinus
pinaster), eucalipto (Eucalyptus globulus), sobro (Quercus suber) e azinho (Quercus ilex) para
temperaturas entre 750 e 900 ºC e ainda para condições de fluidodinâmica do leito
complementares das já estudadas e neste caso sempre com carvões obtidos em laboratório.
RESULTADOS. A figura mostra uma evolução típica da resistência global à combustão. É evidente
uma descida abrupta desta devida ao aquecimento das partículas e à fragmentação primária.
Figura - Evolução da resistência global à combustão com o diâmetro para os quatro tamanhos de partículas
de carvão de pinheiro manso recarbonizado. Temperatura do leito, 750ºC; velocidade de 9Umf. Valores de 1/K correspondentes à resistência mínima (1/K min.) e às fracções queimadas de 25 e 50%.
Da análise dos resultados experimentais pode escrever-se, para os carvões comerciais de pinheiro
manso e sobro, a equação de Arrhenius
682,2 101667,4 RT
ck e (1)
e para os carvões de pinheiro manso e sobro recarbonizados
6102,7 1053891,1 RT
ck e (2)
Estas duas correlações permitem obter os valores da constante de velocidade da reacção kc em
função da temperatura absoluta do leito T e a constante universal dos gases perfeitos R .
O efeito da fragmentação primária sobre os valores da constante da taxa de reacção em fase
heterogénea kc observa-se na tabela seguinte
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Universidade do Minho, Guimarães, Portugal
Tabela - Avaliação do efeito da fragmentação primária nos valores de kc. Partículas de carvão comercial de
pinheiro manso com valores de kc correspondentes à resistência global mínima.
U/Umf = 9 U/Umf = 12
T (ºC) kc (m/s) kc corrigido kc (m/s) kc corrigido
600 0,025 0,020 0,023 0,020
700 0,071 0,059 0,082 0,064
750 0,116 0,112 0,176 0,143
Se o efeito da fragmentação primária não for considerado na determinação da resistência global à
combustão, o valor da reactividade das partículas aparenta ser superior àquele que efectivamente
é, devido ao aumento do número de partículas provocado pela quebra, que contribui para o
aumento da taxa de queima. Apesar desta ressalva, pode concluir-se que, para a gama de
temperaturas e diâmetros de partículas estudados, a não consideração do efeito da fragmentação
primária afecta ligeiramente os parâmetros cinéticos obtidos. Tal situação poderá não ser aplicável
para os casos de temperaturas mais elevadas, pois é de prever que nessas situações o fenómeno
de fragmentação primária tenha maior relevância.
REFERÊNCIAS.
[1] Van Loo, S and Koppejan, J., (2008) “The Handbook of Biomass combustion and Co-firing”,
Earthsan, London.
[2] Adánez, J., de Diego, F., García-Labiano, F., Abad, A. and Abanades, J.C., (2001),
“Determination of biomass char combustion reactivities for FBC applications by a combined
method”, Ind. Eng. Chem. Res., 40, p. 4317-4323.
[3] Branca, C. and Di Blasi, C., (2003), “Global kinetics of wood char devolatilization and
combustion”, Energy and Fuels, 17, 1609.
[4] Fennell P.S., Kadchha S., Lee H-Y., Dennis J.S. and Hayhurst A.N., (2007), “The measurement
of the rate of burning of different coal chars in an electrically heated fluidised bed of sand”, Chem.
Eng. Sci., 62, p. 608-618.
[5] Khan, A.A, de Jong, W., Jansens, P. and Spliethoff, H., (2009), “Biomass combustion in fluidized
bed boilers: Potential problems and remedies”, Fuel Proc. Technology, 90, p. 21 – 50.
[6] Rangel, N. and Pinho, C, (2011), “Kinetic and diffusive data from batch combustion of wood
chars in fluidized bed”, aceite para publicação no Biomass and Bioenergy.
[7] Moreira, N.A.R., (2007), “Caracterização da Combustão de Carvões Vegetais em Leito
Fluidizado”, Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica, FEUP.
[8] Pinho, C., (2006) “Fragmentation on batches of coke or char particles during fluidized bed
combustion”, Chemical Engineering Journal, 115, p. 147-155.
Estudos Sobre a Combustão de Carvões Vegetais Portugueses em Leito Fluidizado
Carlos Pinho – CEFT-DEMEC
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Leito borbulhante com 80 mm de diâmetro interno.
CEFT/INEGI - FEUP e ESTV - IPV
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i ) j ) k )
a )
b )
c )
d )
g )
e )
f )
h )
Leito com 50 mm de diâmetro interno.
CEFT/INEGI - FEUP
4
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Queima de cargas partículas de carbono
em leito fluidizado borbulhante isotérmico
aquecimento desumidificação
pirólise com libertação de voláteis e formação de um
resíduo sólido carbonoso queima dos voláteis
queima do resíduo sólido carbonoso
(Van Loo e Koppejan, 2008)
(Moreira, 2007)
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A reacção entre o C e o O2 à superfície de uma partícula de
carbono (na verdade de carvão), tem como primeiro produto
o CO, segundo a reacção:
Havendo agora duas possibilidades a considerar:
i) A queima do CO dá-se quase instantaneamente após
a sua formação, junto à superfície da partícula;
ii) A queima do CO terá lugar na fase gasosa longe da
Partícula.
No caso do leito fluidizado, onde as partículas evoluem no seio de um leito de inertes, estes actuam
como inibidores da reacção de oxidação do CO, o qual acaba por queimar longe das partículas.
(Guedes de Carvalho et al., 1991; Mota et al., 1994; Ribeiro e Pinho, 2004 )
21+C O CO2
2 21+CO O CO2
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A taxa de queima de uma partícula de carbono
1 2
g c
d
K Sh kD
22C pn d CK
Da leitura da composição dos produtos gasosos da combustão de cargas de carvão,
principalmente via CO2 obtêm-se valores instantâneos de 1/K versus diâmetro da partícula d.
(Beça, 2011 )
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(resistência global à queima) = (resistência devida à transferência de
massa por difusão) + (resistência devida à cinética da reacção química
heterogénea)
1
K g
d
Sh D
2
ck
15,0
25,0
35,0
45,0
55,0
65,0
75,0
0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040
1/K
[s/
m]
d [m]
Carvão de cortiça triturada – Temperatura do leito, 800 ºC di= 1,8 mm
di= 2,2 mm
di= 2,8 mm
di= 3,6 mm
di=1,8 mm - 25%
di=1,8 mm - 50%
di=2,2 mm - 25%
di=2,2 mm - 50%
di=2,8 mm - 25%
di=2,8 mm - 50%
di= 3,6 mm - 25%
di= 3,6 mm - 50%
(Beça, 2011 )
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2 123 3
1 1 1 1
exp8 2
i ic cc
f
g c co c o c t o mf
f fd d f mt
Sh C k CD M M C U U UM A X
2 123 3
1 1 2 1 1
2
4exp1
i i
c
g c
f
cc o
c tmf
f fd d
Sh kD
tf m
CMU UM A X
Tempo de queima de uma carga
Tempo de queima de uma partícula em combustão em regime permanente
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Quatro tipos de carvão estudados Carvão comercial. de p. manso (Pinus pinea)
Carvão de pinheiro manso recarbonizado
Carvão comercial de sobro (Quercus suber)
Carvão de sobro recarbonizado.
Massa das cargas (g) 5,00
Tamanhos das partículas (mm) 1,8, 2,2, 2,8 e 3,6
Temperaturas do leito (ºC) 600 700 750
Vel. mínimas de fluidização (mm/s) 50,1 46,6 45,1
Vel. do ar de fluidização (Umf)
Carvão p. manso
Carvão p. manso recarb.
Carvão sobro
Carvão sobro recarb.
7 9 12 7 9 12 7 9 12
Vel. do ar de fluidização (m/s) 0,35 0,45 0,60 0,33 0,42 0,56 0,32 0,41 0,54
Profundidade do leito (mm) 100
(Moreira, 2007)
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(Moreira, 2007)
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a) 600ºC 7Umf
y = 35,31x + 29,55
R2 = 0,77
0
40
80
120
160
0 1 2 3 4
d (mm)
1/K
(s
/m)
b) 600ºC 9Umf
y = 5,78x + 81,58
R2 = 0,75
0
40
80
120
160
0 1 2 3 4
d (mm)
1/K
(s
/m)
c) 600ºC 12Umf
40
60
80
100
120
0 1 2 3 4
d (mm)
1/K
(s/m
)
min. recta horizontal mais provável
y = 88,46
T (
ºC)
U/U
mf (-
)
f (%
) (1
)
Sh (
-)
k c (
m/s
)
di (mm)
1,8 2,2 2,8 3,6
Cin
étic
a (%
)
Cin
étic
a (%
)
Cin
étic
a (%
)
Cin
étic
a (%
)
60
0 9 Mín. 1,65 0,02 91 89 86 83
12 Mín. 0,02 100 100 100 100
700
9 Mín. 2,35 0,07 82 79 75 70
12 Mín. 2,12 0,08 78 75 70 65
750
9 Mín. 4,53 0,12 85 82 78 74
12 Mín. 2,62 0,18 68 64 58 52
Peso relativo das resistências difusiva e cinética para queima de
partículas de carvão de pinheiro manso comercial
1) Fracção queimada para o instante correspondente
à resistência global mínima
(Moreira, 2007 )
12
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Representação de Arrhenius
(Moreira, 2007)
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> Carvões comerciais de pinheiro manso e
sobro
> Carvões de pinheiro manso e sobro recarbonizados
Os valores das energias de activação, para carvões de vários tipos de madeira e em várias condições de queima, existentes na literatura situam-se entre 84,9 e 160 kJ/mol.
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682,2 101667,4 RT
ck e
6102,7 1053891,1 RT
ck e
(Moreira, 2007)
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U/Umf = 9 U/Umf = 12
T (ºC) kc kc corrigido kc kc corrigido
600 0,025 0,020 0,023 0,020
700 0,071 0,059 0,082 0,064
750 0,116 0,112 0,176 0,143
Avaliação do efeito da fragmentação primária nos valores de kc. Caso das
partículas de carvão comercial de pinheiro manso com valores de kc correspondentes
à resistência global mínima
A contabilização da fragmentação
primária resulta numa diminuição de
cerca de 15 % do valor da constante
cinética da reacção kc
(Moreira, 2007)
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68,9exp(-41,3 10 / )c pk RT Carvão de resíduos de cortiça
Carvão de rolhas de cortiça 670,8exp(-53,5 10 / )c pk RT
(Beça et al., 2011 )
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Azinho (Quercus ilex)
Pereira (2011)
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Estudos Sobre a Combustão de Carvões Vegetais Portugueses em Leito Fluidizado
A utilização da técnica da combustão em leito fluidizado borbulhante permite a obtenção de dados cinéticos e difusivos em condições de operação próximas das encontradas na realidade operacional.
Por outro lado implicações negativas de componentes menores das cinzas no desempenho dos sistemas de queima, são facilmente detectadas à escala laboratorial através de deficiências da fluidodinâmica do reactor em leito fluidizado.
A biomassa dada a heterogeneidade de composição e a importância dos componentes das cinzas na operação de combustão apresenta um vasto campo para a realização de estudos de natureza fundamental.
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> Conclusões
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> Referências Beça, A. (2011), “Estudo Prévio da Queima de Carvão de Cortiça em Leito Fluidizado
e Recolha de Dados Cinéticos”, Dissertação MIEM, FEUP, Janeiro de 2011.
Beça, A., Rangel, N. e Pinho, C., (2011), “Estudo Prévio da Taxa de Queima de Carvão de Cortiça em Lito Fluidizado Borbulhante”. A ser apresentado no CIBEM 10, Porto, Portugal.
Guedes de Carvalho, J.R.F, Pinto, A.M.F.R. e Pinho, C.M.C.T., (1991), “Mass transfer around carbon particles burning in fluidised beds”, Trans. Inst. Chem. Engrs., Vol. 69, Part A, p. 63-70.
Moreira, N. A. R. (2007), “Caracterização da Combustão de Carvões Vegetais em Leito Fluidizado”, Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica, FEUP, Julho de 2007.
Mota, O. D. S., Pinto, A.M.F.R. e Campos, J.B.L.M., (1994), “Fluidised-bed combustion of a charge of a coke with a wide distribution of particle sizes”, Chemical Engineering Science, V. 49, N. 8, p. 209.
Pereira, C.A.C. (2011), Comunicação pessoal, Viseu
Ribeiro, L. e Pinho, C., (2004), “Generic Behaviour of Propane Combustion in Fluidized Beds”, Chemical Engineering Research and Design, 82(A12), p. 1597-1603.
Van Loo, S. e Koppejan, J. (2008), “The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing”, Earthscan, London
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APRESENTAÇÃOA finalidade do II Congresso Ibérico de Biocombustíveis Sólidos é divulgar casos reais de aplicação de biomassa sólida em proces-sos de aproveitamento energético à escala tanto industrial como no sector terciário em Espanha e Portugal.
Devido ao crescente interesse, perspectivas de futuro e oportu-nidades de negócio transfronteiriço que se observam na Região da Galiza e do Norte de Portugal, consideramos de especial relevância o conhecimento da situação atual no âmbito da biomassa energética em ambos os países, assim como o intercâmbio de experiências, conhecimentos, projetos, etc., que permitam potenciar um mercado transnacional que consolide o uso deste tipo de Energias Renováveis.
Foi elaborado um programa que inclui desde o aproveitamento da biomassa florestal primária, passando pelas culturas energé-ticas de curta rotação, os processos de transformação física e conversão energética.
Neste programa faz-se especial destaque aos custos de produção, rendimentos obtidos, aspectos ambientais e situação atual dos mercados, tanto a nível industrial como à escala domé-stica.
Pretende-se assim, dar continuidade a este evento de forma bianual e alternativa em Espanha e Portugal, de forma a que este Congresso sirva de estímulo e ponto de encontro entre ambos os países no âmbito do aproveitamento dos recursos renováveis.
Dirigido a: Estudantes universitários, Empresários, Consultores, Professores, Técnicos e Profissionais do sector.
INFORMAÇÕES E INSCRIÇÕESCEBIO - Associação para a Promoção da BioenergiaCampus de Azurém da Universidade do Minho4800-058 – GuimarãesPORTUGALEmail: [email protected]: www.cebio.net
CUSTO DE INSCRIÇÃO:1º dia: 100€ (75€ para sócios da CEBIO) 50€ para estudantes Jantar do Congresso: 30€2º dia: Visitas incluindo almoço: 40€ (25€ para estudantes)
PAGAMENTO:Participantes de Portugal:Nome da Conta:Cebio – Associação para a Promoção da BioenergiaNIB: 0035 0130 0000 4744 8308 5
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14 e 15 de Junho de 2011UNIVERSIDADE DO MINHOEscola de Engenharia,Campus de AzurémGuimarães - PORTUGAL
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A FICHA DE INSCRIÇÃO ENCONTRA-SE NO SITE DO CEBIO, COMO FICHEIRO QUE DEVERÁ DESCARREGAR E ENVIAR PREENCHIDO PARA O EMAIL [email protected].
A DATA LIMITE DE ENVIO E PAGAMENTO DA INSCRIÇÃO É 8 DE JUNHO
ENTIDADES COLABORADORAS:
14 JUNHO14 JUNHO
10:40-11:00 COFFEE BREAK
8:00-9:00 Recepção e entrega de documentação9:00 - SESSÃO DE ABERTURA – CONFERENCIA INAUGURAL Dr. Enrique Valero-Presidente Comité de Bosques UE.
1º TEMA: Recursos, Logística 9.40-10.00 “Estimativa de custos e tempos de trabalho de
recolha de biomassa florestal”, Luís Lousada, UTAD.10.00-10.20 “Desenvolvimento da Biomassa no contexto da
Floresta Portuguesa”, José L . Carvalho, Enerforest10.20-10.40 “Aplicação de SIG na caracterização dos recursos de
biomassa”, Pedro Cabral (ISEGI – UNL)
2º Tema: Culturas Energéticas11.00-11.20 “Modelos de Producción de Biomassa”, Daniel Vega, Universidade de Vigo11.20-11.40 “Culturas Lenhosas de curta rotação e Produção
Energética no Nordeste de Portugal”, João Azevedo, Instituto Politécnico de Bragança11.40-12.00 “Cultivos Energético: Producciones e Rendimientos”,
Raquel Dopazo, ENCE
3º TEMA: Tecnologias e Aplicações14.00-14.20 “Secado Natural de Biomassa”, Dr. Luiz Ortiz, EIF,
Universidade de Vigo14.20-14.40 “Evoluções recentes na Combustão e Co-combustão
de Biomassa, Mário Costa, IST14.40-15.00 “Estudos Sobre a Combustão de Carvões Vegetais
Portugueses em Leito Fluidizado, Carlos Pinho, FEUP15.00-15.20 “Co-Combustão de Biomassa e Resíduos Combus-
tíveis em FBC, Helena Lopes, LNEG15.20-15.40 “Fusão de cinzas na combustão de pellets”José
Carlos Teixeira, CEBIO
12:00-12:30 - MESA REDONDA
12:30-13:45 - ALMOÇO
15 JUNHO15 JUNHO
4º TEMA: APLICAÇÕES COMERCIAIS15.40-16.00 “Importância do biogás para o desenvolvimento
sustentável”, Madalena Alves, CEBIO16.00-16.20 “Desafios para a produção de bioetanol”, José António Teixeira, CEBIO16.20-16.40 “Mercado Pellets en España”, J. Alvarez, Ecowarm
5º Tema: QUALIDADE E CERTIFICAÇÃO17.00-17.20 “Qualidade dos biocombustíveis sólidos e sua
importância no mercado de calor” (CBE)17.20-17.40 “Rumo da eficiência energética de edifícios.
Importância e futuro da legislação”, ADENE17.40-18.00 “O sistema de certificação de pellets – Enplus”,
Christian Rakos, European Pellet Council
18.00: Sessão de Encerramento“Programa de Incentivo Culturas Energéticas”,Engº Gonçalo Alves, AFN – Autoridade Florestal NacionalPresidente da Escola de Engenharia da Universidade do Minho, Prof. Paulo Pereira, Presidente Câmara Municipal de Guimarães, Dr António Magalhães, Presidente do Conselho Europeu de Pellets, Doutor Christian Rakos
18.45 Assembleia Geral CEBIO Associação para a Promoção da Bioenergia
20.00 Jantar
VISITAS:
INSTALAÇÃO FABRICO DE PELLETS(LOUSADA)
FÁBRICA DE PRODUÇÃO DE PAPEL (VIANA DO CASTELO)
ALMOÇO INCLUÍDOViagem em autocarro com saída e regresso a Guimarães.
16:40-17:00 COFFEE BREAK
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