melhorias no processo de pirólise da biomassa · modificação do balance energético das...
TRANSCRIPT
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
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
2/28
Sumário
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
3/28
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
4/28
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...
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
5/28
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
6/28
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
7/28
II – Os processos de pirólise
Do forno meda a planta contínua ... Com o tempo e a localização geográfica
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
8/28
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
Contrôle do peso
9/28
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
10/28
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
Para desenvolver e melhorar os processos é preciso melhor entenderos fenômenos que controlam a conversão da biomassa em carvão :
11/28
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
12/28
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
Exemplos de melhorias com fornos batch
Aumento do tamanho Redução do ciclo através do resfriamento
13/286 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
III – Os principais ações de melhoriaMelhoria da produção (com qualidade) :
14/28
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
15/28
Exemplos de melhorias com fornos batch
Queimador Condensador e quemador alcatrão
Bateria
III – Os principais ações de melhoriaMelhorias energéticas e ambientais:
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
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
16/28
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
Exemplo 1 : Aumentar o rendimento do carvão (com mesma qualidade)
Exemplo 2 : Desenvolver ferramentas rápidas de medição da qualidade do carvão como NIRS
17/28
IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
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
18/28
IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de
P&D
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
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
19/28
IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
Rendimento carvão Rendimento carbono fixo
0,1 MPa 1 MPa
20/28
IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de
P&D
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
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 ?
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)
21/28
IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
22/28
IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
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
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
23/28
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
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
24/28
IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
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
25/28
IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
Melhorias no processo de pirólise da biomassa para produção de carvão vegetal
26/27
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
27/28
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
6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa
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