UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB INSTITUTO DE ENGENHARIA MECNICA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA DISSERTAO DE MESTRADO Estudo Experimental do Conjunto Gaseificador de Biomassa em Reator Concorrente com Duplo Estgio de Fornecimento de Ar e Motor de Combusto Interna Autor: Juan Daniel Martnez ngel Orientador: Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora Co-orientador: Dr. Rubenildo Viera Andrade Itajub, Outubro de 2009 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB INSTITUTO DE ENGENHARIA MECNICA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA DISSERTAO DE MESTRADO Estudo Experimental do Conjunto Gaseificador de Biomassa em Reator Concorrente com Duplo Estgio de Fornecimento de Ar e Motor de Combusto Interna Autor: Juan Daniel Martnez ngel Orientador: Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora Co-orientador: Dr. Rubenildo Viera Andrade Curso: Mestrado em Engenharia Mecnica rea de Concentrao: Converso de Energia Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduaoem Engenharia Mecnica como parte dos requisitos para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica. Itajub, Outubro de 2009 M.G. Brasil UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB INSTITUTO DE ENGENHARIA MECNICA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA DISSERTAO DE MESTRADO Estudo Experimental do Conjunto Gaseificador de Biomassa em Reator Concorrente com Duplo Estgio de Fornecimento de Ar e Motor de Combusto Interna Autor: Juan Daniel Martnez ngel Orientador: Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora Co-orientador: Dr. Rubenildo Viera Andrade Composio da Banca Examinadora: Prof. Dr. Manoel Fernandes Martins Nogueira - ITEC/UFPA Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora - IEM/UNIFEI Prof. Dr. Vladimir Melian Cobas - IEM/UNIFEI Dr. Rubenildo Viera Andrade - IEM/UNIFEI Dedicatria minha meAna Clara e aos meus irmos Jos Flix e Ana Isabel Agradecimentos A isso divino que est em todas as partes.A minha querida me Ana Clara e meus irmos Jos Flix e Ana Isabel, pelo suporte nestes anos de ausncia e por tudo esse amor. Natalia pelo o seu apoio, fora e presena. AomeuOrientador,Prof.Dr.ElectoEduardoSilvaLora,pelaconfiana,pacinciae amizade.Ao Dr. Rubenildo Viera Andrade, pela colaborao, pacincia e amizade neste tempo. AoProf.Dr.RenLesmeJan,pelacolaboraoeapoionostestesexperimentaiseseus valiosos comentrios. galeraColombianapresenteemItajub,pelosmomentoscompartidoseaserem compartidos.AoElkinGutierrezpelasdiscussescomosmotoreseosuportenoprogramaem Fortran, e a Sandra Giraldo pelo apoio nos testes experimentais de gaseificao.Aos amigos e colegas da ps-graduao e republica. CAPES, atravs do Programa de bolsas, pelo apoio financeiro. CPFL e a Termoquip Energia Alternativa LTDA. A minha querida Colmbia.Ao Brasil, por ter me recebido. He sospechado alguna vezque la nica cosa sin misterio es la felicidad,porque se justifica por s sola Jorge Luis Borges Resumo MARTNEZ, J. D. (2009), Estudo Experimental do Conjunto Gaseificador de Biomassa em Reator Concorrente com Duplo Estgio de Fornecimento de Ar e Motor de Combusto Interna,Itajub,193p.Dissertao(MestradoemConversodeEnergia)-Institutode Engenharia Mecnica, Universidade Federal de Itajub. Apresenta-seumestudoexperimentaldagaseificaodebiomassanumreatordeleito mvel tipo concorrente de 50 kW trmicos que considera dois estgios de fornecimento de ar. Esta configurao mostra-se como mtodo eficiente na diminuio do teor de alcatro no gs produzido. A partir das variaes da vazo de ar alimentada ao gaseificador e a proporo de arentreosestgios(Ra),forammedidasasconcentraesdeCO,CH4eH2;ecalculadas,a partir dos balanos de massa e energia, a capacidade de produo de gs (yield) e sua potncia dogs,aeficinciaafriodoprocessoeofator dearenvolvido.Ogaseificadorpossibilitaa obteno de um gs combustvel com teores de monxido de carbono, hidrognio e metano de 19,04, 16,78 e 0,89 %v, a 20 Nm3/h de vazo total de ar e um Ra = 80%. Para estas condies, apodercalorficoinferiordogsesteveemtornode4,53MJ/Nm3,enquantoapotnciado gsfoide50,26kW.Aeficinciaafriofoide70,78%.Estascondiessugeremum favorecimentodadevolatilizaodabiomassanazonadepirliseresultandoemcompostos muitomaislevesquesomaisfacilmentecraqueadosquandoacorrentegasosapassapela zona de combusto. O gs testado num Motor Alternativo de Combusto Interna de 10 kW de potncia nominal, obtendo-se 5,3 kWe a 60Hz. Palavras-chave: Biomassa, Gaseificao, Reator tipo Concorrente, Motor de Combusto Interna. Abstract MARTNEZ,J.D.(2009),ExperimentalStudyofaBiomassGasifierinaDowndraft Reactor with Double Stage Air Supply and Internal Combustion Engine, Itajub, 193p. MSc. Dissertation - Instituto de Engenharia Mecnica, Universidade Federal de Itajub. Thisworkpresentsanexperimentalstudyofbiomassgasificationinamovingbed downdraft reactor (50 kW) that considers two air supply stages. This configuration shown as an effective method in reducing the tar content of gas produced. From the variations in the air flow fed to the gasifier and the proportion of air between stages (Ra), it is measured the CO, CH4andH2concentrations,andcalculatedfromthemassandenergybalance,thegasyield anditspower,thecoldefficiencyoftheprocessandtheequivalenceairinvolvedinthe process.Thegasifierproduceacombustiblegaswithcarbonmonoxide,hydrogenand methaneconcentrationsof19,04,16,78and0,89%v,respectivelyat20Nm3/htotalflowof airandRa=80%.Fortheseconditions,thecalorificvalueofgaswasaround4,53MJ/Nm3, whilethegaspowerwas50,26kW.Thecoldefficiencywas70,78%.Theseconditions suggestadvantagesforthebiomassdevolatilizationinthepyrolysiszoneresultinginmuch lightercompoundsthataremoreeasilycrackedwhenthegasstreampassesthroughthe combustionzone.Thecalculationmodeldevelopedshowsaremarkableconsistency,being possibleitsconsiderationinthediagnosisofothermovingbedsgasifiers.Thegasengineis tested in a reciprocating internal combustion engine (10 kW), resulting in 5,3 kWe a 60 Hz. Keywords: Biomass, Gasification, Downdraft Reactor, Internal Combustion Engine. i Sumrio SUMRIO _________________________________________________________________I LISTA DE FIGURAS _______________________________________________________ V LISTA DE TABELAS_____________________________________________________ IX SIMBOLOGIA ___________________________________________________________ XI SIGLAS ________________________________________________________________ XIV CAPTULO 1_____________________________________________________________1 INTRODUO___________________________________________________________1 OBJETIVOS -------------------------------------------------------------------------------------------- 4 Objetivo geral: --------------------------------------------------------------------------------------- 4 Objetivos secundrios: ----------------------------------------------------------------------------- 4 1.1 Contedo -------------------------------------------------------------------------------------------- 5 CAPTULO 2_____________________________________________________________6 FUNDAMENTAO TERICA E ESTADO DA ARTE _________________________6 2.1HISTRICO -------------------------------------------------------------------------------------- 7 2.2GENERALIDADES DA BIOMASSA ------------------------------------------------------- 9 2.3GENERALIDADES DA GASEIFICAO------------------------------------------------11 2.3.1Gaseificao em reator de leito mvel -------------------------------------------------12 2.3.2Gaseificao em reator de leito mvel tipo concorrente ----------------------------16 2.3.3Gaseificao com duplo estgio --------------------------------------------------------20 2.3.4Variveis envolvidas no processo de gaseificao -----------------------------------22 ii 2.4ESTADO DA ARTE DA GASEIFICAO EM LEITO MVEL TIPO CONCORRENTE ------------------------------------------------------------------------------28 2.5ASPECTOS CINTICOS DA GASEIFICAO EM LEITO MVEL ---------------31 2.5.1Equilbrio qumico ------------------------------------------------------------------------31 2.5.2Equilbrio qumico na gaseificao em leito mvel tipo concorrente -------------33 2.6GENERALIDADES DA LIMPEZA DOS GASES ---------------------------------------37 2.7GENERALIDADES DOS MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTO INTERNA ----------------------------------------------------------------------------------------43 2.7.1Terminologias e abreviaes ------------------------------------------------------------44 2.7.2Os ciclos bsicos de operao -----------------------------------------------------------46 2.7.3Motor de ignio por centelha-----------------------------------------------------------47 2.7.4O nmero de octanagem (NO) e o nmero de metano (NM) -----------------------49 2.7.5Motor de ignio por compresso ------------------------------------------------------50 2.7.6O nmero de cetano (NC) ----------------------------------------------------------------52 2.7.7O efeito detonao (knock) --------------------------------------------------------------52 2.7.8A velocidade de chama -------------------------------------------------------------------53 2.7.9O tempo de ignio -----------------------------------------------------------------------55 2.8PARMETROS QUE INFLUENCIAM A PERDA DE POTNCIA DOS MACI ALIMENTADOS COM GS DE GASEIFICAO DE BIOMASSA----------------56 2.9ESTADO DA ARTE DOS MACI ALIMENTADOS COM GS DE GASEIFICAO DE BIOMASSA ---------------------------------------------------------58 CAPTULO 3____________________________________________________________62 MATERIAIS E MTODOS________________________________________________62 3.1DESCRICO DOS EQUIPAMENTOS -----------------------------------------------------62 3.1.1Gaseificador de leito mvel tipo concorrente com duplo estgio de fornecimento de ar -----------------------------------------------------------------------------------------63 3.1.2Motor de combusto interna -------------------------------------------------------------67 3.2DESCRIO DA BIOMASSA --------------------------------------------------------------68 3.2.1Anlise de poder calorfico --------------------------------------------------------------69 3.2.2Anlise de umidade -----------------------------------------------------------------------70 3.3INSTRUMENTAO UTILIZADA --------------------------------------------------------71 3.3.1Sistema de amostragem do gs de gaseificao --------------------------------------71 iii 3.3.2Placas de orifcio --------------------------------------------------------------------------72 3.3.3Simulador de carga -----------------------------------------------------------------------74 3.4DETERMINAO DAS CONDIES OPERACIONAIS DO GASEIFICADOR -74 3.5DETERMINAO DAS CONDIES OPERACIONAIS DO MOTOR ------------76 3.6METODOLOGIA UTILIZADA -------------------------------------------------------------77 3.6.1Metodologia dos testes de gaseificao ------------------------------------------------78 3.6.2Modelo de clculo para a avaliao do processo de gaseificao: balano de massa e energia ----------------------------------------------------------------------------79 3.6.3Relao ar/combustvel do gs de gaseificao ---------------------------------------87 3.6.4Metodologia dos testes de gerao de eletricidade a partir do motor --------------88 3.8PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL -----------------------------------------------------88 3.8.1Preparao dos testes ---------------------------------------------------------------------88 3.8.2Realizao dos experimentos no gaseificador ----------------------------------------89 CAPTULO 4____________________________________________________________93 RESULTADOS E DISCUSSO _____________________________________________93 4.1PODER CALORIFICO E UMIDADE DA BIOMASSA ---------------------------------93 4.2ANLISE DE RESULTADOS DOS TESTES DE GASEIFICAO-----------------94 4.2.1Amostragem do gs e o reator de reforma cataltica ---------------------------------94 4.2.2Concentrao de CO, CH4 e H2, poder calorfico inferior do gs produzido e temperatura, para cada condio experimental ---------------------------------------95 4.2.3Efeito do primeiro estgio na concentrao de CO, CH4 e H2, do gs produzido103 4.2.4Resultados e discusso do balano de massa e energia ---------------------------- 106 4.3ANLISE DE RESULTADOS DO TESTES COM O MOTOR ---------------------- 120 4.4PROBLEMAS EVIDENCIADOS NO GASEIFICADOR ----------------------------- 124 4.5PROBLEMAS EVIDENCIADOS COMO O MOTOR --------------------------------- 125 CAPTULO 5___________________________________________________________127 CONCLUSES, RECOMENDAES E PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS ______________________________________________________________127 5.1 Concluses e recomendaes ----------------------------------------------------------------- 127 5.2 Propuestas para trabalhos Futuros ------------------------------------------------------------ 129 iv REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS _______________________________________131 ANEXO A______________________________________________________________141 LOCALIZAO DOS TERMOPARES DO GASEIFICADOR ATENDENDO A SUA NUMERAO __________________________________________________________141 ANEXO B______________________________________________________________144 MODELO DE CLCULO DA PLACA DE ORIFCIO________________________144 ANEXO C______________________________________________________________148 CDIGO EM FORTRAN DA PLACA DE ORIFICO _________________________148 ANEXO D______________________________________________________________155 EQUAES DO BALANO DE MASSA DO GASEIFICADOR (RESOLVIDAS EM MATHCAD) ____________________________________________________________155 ANEXO E______________________________________________________________159 TRATAMENTO DO ERRO NAS MEDIES DE CONCENTRAO DE CO, CH4 E H2, E DE TEMPERATURA_______________________________________________159 ANEXO F______________________________________________________________161 PERFIS DE TEMPERATURA E CONCENTRAO DOS TESTES EXPERIMENTAIS______________________________________________________161 ANEXO G ______________________________________________________________192 ARTIGOS DERIVADOS DO PRESENTE TRABALHO _______________________192 A.1Artigos publicados a partir do desenvolvimento deste trabalho ----------------------- 192 A.2Artigos para serem publicados a partir do desenvolvimento deste trabalho --------- 192 v Lista de Figuras Figura 2.1. Veculo movido por meio de um gasognio (Olsen, 2007)8 Figura 2.2. Trator movido por meio de um gasognio (Olsen, 2007)8 Figura 2.3. Caminho movido por meio de um gasognio (Olsen, 2007)9 Figura 2.4. Esquema da gaseificao em reator de leito cruzado13 Figura 2.5. Esquema da gaseificao em reator de leito mvel contracorrente14 Figura 2.6. Esquema de um gaseificador concorrente convencional15 Figura 2.7. Gaseificador tipo Imbert16 Figura 2.8. Gaseificador tipo Stratified17 Figura 2.9. Esquema geral da gaseificao com duplo estgio de reao20 Figura2.10.Esquemageraldagaseificaocomduploestgiodealimentaodoagentede gaseificao21 Figura 2.12. Efeito da temperatura de reao nas composies do gs combustvel, a partir do modelo heterogneo (Cousins, 1978)35 Figura 2.13. Efeito da umidade na gaseificao de madeira em leito mvel tipo concorrente a uma temperatura de reao de 800 C (Zainal et al. 2001)36 Figura 2.14. Efeito da relao combustvel/ar na gaseificao de madeira em leito mvel tipo concorrente com 18% de umidade (Melgar et al. 2007)37 Figura2.15.Eficinciasderemoodepartculasemsistemasdelimpezaconvencionais (Hasler & Nussbaumer, 1999)39 Figura 2.16. Remoo de alcatro segundo o mtodo primrio (Devi et al. 2003)40 Figura 2.17. Remoo de alcatro segundo o mtodo secundrio (Devi et al. 2003)41 Figura 2.18. Esquema cilindro pisto num MACI (Heywood, 1988)46 vi Figura2.19.SeqnciadeeventosnointeriordacmaradecombustodeumMACIde ignio por centelha de quatro tempos (Heywood, 1987)48 Figura 2.20a. Esquema do ciclo padro Otto48 Figura 2.20b. Esquema do ciclo real Otto48 Figura 2.21a. Esquema do ciclo padro Diesel51 Figura 2.21b. Esquema do ciclo real Diesel51 Figura2.22.SeqnciadeeventosnointeriordacmaradecombustodeumMACIde ignio por compresso (Heywood, 1987)51 Figura2.23.Esquemageraldeacontecimentosnacmaradecombustoquedoorigemao fenmeno do knock (Pulkrabek, 1997)52 Figura 2.24a. Combusto com breve knock (Pulkrabek, 1997)53 Figura 2.24b. Combusto com forte knock (Pulkrabek, 1997)53 Figura 2.25. Representao esquemtica do avano e o atraso de ignio num MACI55 Figura 3. 1. Gaseificador de leito mvel tipo concorrente com duplo estgio de fornecimento de ar64 Figura 3.2. Esquema geral do gaseificador de leito mvel tipo concorrente com duplo estgio de fornecimento de ar (Termoquip Ltda, 2007)66 Figura 3.3. Motor de combusto interna tipo Diesel BTD 22 YANMAR68 Figura 3.4. Biomassa utilizada nos testes de gaseificao69 Figura 3.5. Calormetro C2000, NEST/UNIFEI70 Figura 3.6. Analisador de umidade Sartrius MA30, NEST/UNIFEI70 Figura 3.7. Sistema de anlise gases71 Figura 3.8. Esquema das placas de orifcio do gaseificador72 Figura 3.9. Configurao das placas de orifcio do gaseificador73 Figura 3.10. Interfase do programa placa orifcio73 Figura 3.11. Simulador de carga74 Figura 3.12. Volume de controle do gaseificador79 Figura 3.13. Nvel de biomassa no gaseificador90 Figura 3.14. Preaquecimento do reator91 Figura 4.1. Ponto de amostragem do gs95 Figura 4.2. Perfil de concentrao de CO, CH4 e H2, e PCIg para Ra = 0%98 vii Figura 4.3. Perfil de temperaturas no gaseificador para Ra = 0%99 Figura 4.4. Perfil de concentrao de CO, CH4 e H2, e PCIg para Ra = 40%100 Figura 4.5. Perfil de temperaturas no gaseificador para Ra = 40%100 Figura 4.6. Perfil de concentrao de CO, CH4 e H2, e PCIg para Ra = 80%101 Figura 4.7. Perfil de temperaturas no gaseificador para Ra = 80%102 Figura 4.8. Concentrao de CO em funo da vazo de ar, para Ra = 0, 40 e 80%104 Figura 4.9. Concentrao de CH4 em funo da vazo de ar, para Ra = 0, 40 e 80%104 Figura 4.10. Concentrao de H2 em funo da vazo de ar, para Ra = 0, 40 e 80%105 Figura 4.11. Comportamento do fator de ar e a velocidade superficial para Ra = 0, 40, 80%109 Figura 4.12. Taxa especifica de gaseificao e velocidade superficial para Ra = 0, 40 e 80%111 Figura 4.13. Fator de ar e PCIg para Ra = 0%112 Figura 4.14. Fator de ar e PCIg para Ra = 40%112 Figura 4.15. Fator de ar e PCIg para Ra = 80%113 Figura 4.16. Comportamento do fator de ar e a PCIg para Ra = 0, 40, 80%114 Figura 4.17. Eficincia a frio e potncia do gs para Ra = 0%115 Figura 4.18. Eficincia a frio e potncia do gs para Ra = 40%116 Figura 4.19. Eficincia a frio e potncia do gs para Ra = 80%116 Figura 4.20. Comportamento do fator de ar e a potncia do gs para Ra = 0, 40, 80%117 Figura 4.21. Comportamento do fator de ar e a eficincia a frio para Ra = 0, 40, 80%118 Figura.4.22. Combusto do gs gerado no flare118 Figura 4.23. Capacidade de produo de gs por biomassa alimentada (yield) para Ra = 0, 40 e 80%119 Figura 4.24. Entradas do gs de gaseificao e do ar no motor de combusto interna120 Figura 4.25. Potncia eltrica atingida e freqncia121 Figura 4.26. Evidencia de formao de espao morto (vazio) no reator125 Figura F1. Perfil de Temperatura Teste A1162 Figura F2. Perfil de Concentraes Teste A1163 Figura F3. Perfil de Temperatura Teste A2164 Figura F4. Perfil de Concentraes Teste A2165 Figura F5. Perfil de Temperatura Teste A3166 Figura F6. Perfil de Concentraes Teste A3167 Figura F7. Perfil de Temperatura Teste A4168 viii Figura F8. Perfil de Concentraes Teste A4169 Figura F9. Perfil de Temperatura Teste A5170 Figura F10. Perfil de Concentraes Teste A5171 Figura F11. Perfil de Temperatura Teste B1172 Figura F12. Perfil de Concentraes Teste B1173 Figura F13. Perfil de Temperatura Teste B2174 Figura F14. Perfil de Concentraes Teste B2175 Figura F15. Perfil de Temperatura Teste B3176 Figura F16. Perfil de Concentraes Teste B3177 Figura F17. Perfil de Temperatura Teste B4178 Figura F18. Perfil de Concentraes Teste B4179 Figura F19. Perfil de Temperatura Teste B5180 Figura F20. Perfil de Concentraes Teste B5181 Figura F21. Perfil de Temperatura Teste C1182 Figura F22. Perfil de Concentraes Teste C1183 Figura F23. Perfil de Temperatura Teste C2184 Figura F24. Perfil de Concentraes Teste C2185 Figura F25. Perfil de Temperatura Teste C3186 Figura F26. Perfil de Concentraes Teste C3187 Figura F27. Perfil de Temperatura Teste C4188 Figura F28. Perfil de Concentraes Teste C4189 Figura F29. Perfil de Temperatura Teste C5190 Figura F30. Perfil de Concentraes Teste C5191 ix Lista de Tabelas Tabela2.1.Anliseselementareimediatadealgumasbiomassasembaseseca(Parikhetal 2005)10 Tabela2.2.Caractersticasdeoperaodegaseificadoresdeleitomvelconcorrenteeleito fluidizado borbulhante12 Tabela2.3.Anliseselementareserelaesestequiomtricasdediferentesespciesde madeira com 15% de umidade em base de trabalho (Parikh et al. 2005)23 Tabela2.4.Caractersticaseresultadosdealgumaspesquisasdegaseificaocombiomassa em leito mvel tipo concorrente.29 Tabela2.5.Modelostermodinmicoseconstantesdeequilbrioqumico(Susanatoetal. 1996)34 Tabela 2.6. Alguns poluentes no gs produzido, problemas relativos e mecanismos de controle 38 Tabela2.7.Reduodepartculasealcatroemvriossistemasdelimpeza(Haslerand Nussbaumer, 1999)40 Tabela 2.8. Requerimentos de qualidade do gs produto da gaseificao de biomassa para seu aproveitamento num MACI (Hasler & Nussbaumer, 1999)43 Tabela2.9.Comparaodepropriedadesdogsdegaseificaodebiomassaegsnatural (Dassapa et al. 2007)54 Tabela 2.10. Alguns resultados da operao de motores de combusto interna a partir do gs pobre60 Tabela3.1.Caractersticasnominaisdogaseificadordeleitomveltipoconcorrentecom duplo estgio de fornecimento de ar (Termoquip Ltda, 2007)63 Tabela 3.2. Especificaes tcnicas do motor Diesel BTD 22 YANMAR67 Tabela 3.3. Condies experimentais (testes preliminares)75 x Tabela 3.4. Resultados dos testes preliminares75 Tabela 3.5. Condies experimentais de gaseificao de madeira78 Tabela 4.1. Poder calorfico superior e umidade da biomassa94 Tabela 4.2. Concentrao de CO, CH4, H2 e PCIg para Ra = 0, 40 e 80%96 Tabela 4.3. Temperaturas de interes para Ra = 0, 40 e 80%97 Tabela 4.4. Fluxos mssicos e energticos para Ra = 0, 40 e 80%107 Tabela 4.5. Variveis operacionais envolvidas para Ra = 0, 40 e 80%108 Tabela A1.Nomenclatura dos termopares no gaseificador141 xi Simbologia Letras Latinas a1concentrao molar do monxido de carbono na reao de gaseificao a2concentrao molar do hidrognio na reao de gaseificao a3concentrao molar do metano na reao de gaseificao Area transversal Acontedo de cinzas cpcalor especifico a presso constante para um gs perfeito cpacalor especfico do ar Ccontedo de carbono na biomassa dhdiferena de entalpia para um gs perfeito dTdiferena de temperatura Eafluxo de energia que entra no gaseificador referente ao arEbfluxo de energia que entra no gaseificador referente biomassaEcenergia sensvel das cinzas Ecpenergia perdida em forma de calor pelas paredes do reator Egfluxo de energia que sai do gaseificador referente ao gs geradoEsenergia sensvel do gs gerado Euenergia til do gs gerado Epfluxo de energia que sai do gaseificador referente s perdashientalpia do componente i Hcontedo de hidrognio na biomassa xii KBconstante de equilbrio da reao de Boudouard KMconstante de equilbrio da reao de formao de metano KS1constante de equilbrio da reao homognea de Shift KS2constante de equilbrio da reao heterognea de Shift. Ldeslocamento do pisto mmassa mbmassa de biomassa b m fluxo mssico de biomassa que entra no gaseificador a m fluxo mssico de ar que entra no gaseificador r m fluxo mssico de resduos slidos totais gerados g m fluxo mssico de gs gerado Mwamassa molecular do ar Mwbmassa molecular da biomassa MwCmassa molecular do carbono Mwgmassa molecular dos gases MwHmassa molecular do hidrognio MwH2Omassa molecular da gua MwOmassa molecular do oxignioMwNmassa molecular do nitrognio nrotao nCmoles de carbono na reao de gaseificao nHmoles de hidrognio na reao de gaseificao nNmoles de nitrognio na reao de gaseificao nOmoles de oxignio na reao de gaseificao Ncontedo de nitrognio na biomassa Nepotnciamecnica do motor Ocontedo de oxignio na biomassa pmagnitude presso prefpresso de referncia FARrelao ar/combustvel de um combustivel xiii GARrelao ar/combustvel do gs de gaseificao estAAR ||

\|relao ar/combustvel estequiomtrica realCAR ||

\| relao ar/combustvel estequiomtrica Rctaxa ou relao de compressoRuconstante universal dos gases Scontedo de enxofre na biomassa ttempo total do teste Tmagnitude temperatura Tartemperatura do ar na entrada do gaseificador Touttemperatura de sada do gs Treftemperatura de refernciaT ZCtemperatura na zona de combusto Usvelocidade superficial vicoeficientes do componente i Vvolume a V vazo volumtrica de ar Vavolume do ar Vcvolume livre entre o PMS e o topo da cmara de combusto Vdvolume da seco de combusto Vfvolume de um combustvelVmvolume da mistura gs/ar Wumidade da biomassa xicoeficientes estequiomtricos da reao de gaseificao yifrao molar do componente iznumero de pistesLetras Gregas fator lambda xiv moles de gua envolvidas na reao de gaseificao dimetro do cilindro adensidade do ar a condies normaisfdensidade de um combustvelgdensidade do gs idensidade do componente i eeficincia trmica do motor frioeficincia a frio do gaseificador Gfuno de Gibbs calor latente da gua Siglas AITInstituto Asitico de Tecnologia APMIAntes do Ponto Morto Inferior APMSAntes do Ponto Morto Superior CICiclones Isolado CFCarbono Fixo DPMIDepois do Ponto Morto Inferior DPMSDepois do Ponto Morto Superior DTUUniversidade Tcnica de Dinamarca EFQEngine Fuel Quality FAFator de Ar FAOFood and Agriculture Organization of the United Nations FIIndicador de Fluxo FMFiltro de Mangas xv GAGasmetro Selado com Agua GDEGaseificador de Duplo Estgio GETGlobal Energy Telecom IEMInstituto de Engenharia Mecnica IIScInstituto Indiano de Cincia MACIMotores Alternativos de Combusto Interna MBCMass Balance Closure MBTMaximum Brake Torque MVMaterial Voltil NESTNcleo de Excelncia em Gerao Termeltrica e Distribuda PCcPoder Calorfico PCmPoder Calorfico da mistura gs/ar PCIPoder Calorfico Inferior PCIgPoder Calorfico Inferior do Gs Produzido PCSPoder Calorfico Superior PMIPonto Morto Inferior PMSPonto Morto Superior RRCReator de Reforma Cataltica SGRTaxa Especfica de Gaseificao (Specific Gasification Rate) SOSoprador de Alta Presso TC1Trocador de Calor 1 TC2Trocador de Calor 2 TIIndicador de Temperatura TGTurbinas a Gs UNIFEIUniversidade Federal de Itajub VIVibrador 1 Captulo 1 INTRODUO A sociedade atual depende notavelmente das fontes de energia fsseis como o petrleo, ogsnaturaleocarvo.Asduasprimeirasapresentamumhorizontedeaproveitamento inferiora70anossesomantidasastaxasdecrescimentoatuaisnoseuconsumo(Lara, 2007).Ocarvoaindaconsiderareservasquesuperamos250anos(Lara,2007).Tendoem conta o anterior, e os impactos ambientais gerados pelo uso das fontes fosseis, especialmente o cambio climtico, far que nos prximos anos os sistemas energticos, tanto de subministro deenergiaprimariacomodeconversodamesmaemenergticosdemaiorvalorcomoa eletricidade e os combustveis, mudem radicalmente. Sendo assim, em menos de meio sculo, os sistemas atuais tero que dar passo aqueles baseados em fontes renovveis como a energia solar (tanto trmica como fotovoltaica), a energia elica, e a biomassa. Paraenfrentarestecambio,abiomassaconsolidasecomounsdosvetoresmais importante na obteno de combustveis para satisfazer as necessidades energticas mundiais, desdeoabastecimentodosetortransporteatageraodeeletricidade.Noobstantea biomassa,porsuascaractersticascomobaixadensidade,umidade,variabilidadeemsua produoeconcentrao,assimcomoemalgunscasosbaixopodercalorfico,entreoutras, precisa de um amplo desenvolvimento cientfico e tecnolgico que justamente se desenvolve na academia. 2 Nestesentido,agaseificaoconsideradacomoomecanismomaisprometedorna obteno de um combustvel gasoso e homogneo, de aceitveis propriedades termoqumicas (velocidadedechamaetendnciadetonao)paraageraodeeletricidadepormdiode motores alternativos de combusto interna (MACI) e turbinas a gs (TG) (Lapuerta, 2008). De fato,existemjnomundoalgumasplantasemfuncionamento,comcapacidadesquevo desdepoucoskWatconsiderveisMW.Doisexemplosnotveissoasplantasde VRNAMOnaSucia,edeHARBOOREnaDinamarca.Aprimeiragaseificachipsde madeira a partir de um leito fluidizado circulante pressurizado em ciclo combinado, obtendo potnciaseltricasde6MWepotnciastrmicasde9MWparaaquecimentodistrital.A segundautilizaumleitomveltipocontracorrente,comprviosistemadeadequaode gases, para a obteno de 1.5 MW de eletricidade por mdio de dois motores Jenbacher. Para potncias a pequenas escalas, ogaseificador de leito mvel concorrente apresenta importantesvantagensquandoconsideradaaalimentaodogsgeradoemMACI.O alcatroeosparticuladosnogsproduzidoapresentamteoresnotavelmenteinferioresem comparaocomosdemaistiposdereatores.Porm,paragarantirumadequado funcionamento dos MACI com o gs de gaseificao, deve se diminuir ao mximo possvel osteoresdealcatroeparticulados.Hasler&Nusbaumer(1999),apresentamcomovalor limitepermissveldealcatro100mg/Nm3emquantoqueparaparticulados50mg/Nm3.A remoodealcatroumdosaspetosmaisimportantesnoacondicionamentodosgasesde gaseificao. De acordo com Devi et al. (2003), os mtodos de remoo de alcatro podem ser divididos em dois, um mtodo primrio onde a limpeza ocorre no interior do gaseificador, e o mtodosecundrioondeogsacondicionadoforadogaseificador,dizer,mediante dispositivos secundrios. Nestesentido,vriosgruposdepesquisadeEuropa(Dinamarca),sia(ndiae Tailndia) e Latino America (Brasil) tem vindo trabalhando na implementao de um mtodo primrio para a diminuio do teor de alcatro no gs produzido. AUniversidadeTcnicadeDinamarca(DTU)projetou,construiueatualmenteopera uma planta de gaseificao em duplo estgio, a qual consiste em dois reatores independentes onde primeiramente se pirolisa o material para imediatamente depois gaseificar os volteis e o 3 char obtido na etapa inicial. A planta produz potncias eltricas na faixa de 15 a 20 kW e tem por nome Viking. Aconfiguraodeduploestgiopodeigualmentereferenciaraalimentaodoagente de gaseificao em dois pontos diferentes do reator. Neste sentido, so vrios os laboratrios quevmpesquisandoedesenvolvendoestesequipamentos.OlaboratriodeCombusto, GaseificaoePropulsodoInstitutoIndianodeCincia(IISc),utilizaumgaseificadortipo concorrente com topo aberto fornecendo o ar tanto na parte superior do reator como na zona de combusto. Poroutrolado,osgaseificadoresestudadosnaTailndiapeloProgramadeEnergiado Instituto Asitico de Tecnologia (AIT), o no Ncleo de Excelncia em Gerao Termeltrica e Distribuda (NEST) da UNIFEI/Brasil, so reatores totalmente fechados com alimentaes de ar a diferentes alturas do gaseificador. Geralmente, o primeiro estgio est localizado na parte superiordoreator,naszonasdesecagemepirlise,emquantoosegundosesituanaparte central do mesmo, justo na zona de oxidao. O presente trabalho apresenta a avaliao experimental de um gaseificador concorrente deduploestgiodefornecimentosdear,projetadoeconstrudopelaempresaBrasileira TERMOQUIPENERGIAALTERNATIVALtda,elocalizadonoslaboratriosdo NEST/UNIFEI. Alm de dar continuidade aos trabalhos de Romero (2005), Andrade (2007), Sales(2007),Melo(2008),Gualdrn(2009),realizadosnoNEST/UNIFEI,igualmentena readegaseificaodebiomassa,estapesquisatemafinalidadedeimpulsionaremotivara utilizaodestecombustvelcomoenergticoprimrionageraodeeletricidadeapequena escala, impulsionando tambm a reduo das emisses de gases efeito estufa (principalmente o CO2), o fomento das energiasrenovveis, o uso racional e eficiente daenergia mediante o uso de combustveis autctones, assim como a energizao e o desenvolvimento rural. 4 OBJETIVOS Objetivo geral: Avaliarexperimentalmenteagaseificaodebiomassaemreatortipoconcorrentede duplo estgio de fornecimento de ar e a potncia eltrica obtida a partir do uso do gs gerado num motor alternativo de combusto interna. Objetivos secundrios: Obteradistribuiotimadearnosestgiosdefornecimentodoreatorafimdegerar um gs energtico hbil para sua aplicao em motores alternativos de combusto interna. Avaliarexperimentalmenteodesempenhodagaseificaodebiomassaconsiderandoa vazodearalimentada,aconcentraodeCO,CH4eH2nogsproduzidoeas temperaturas do leito. Desenvolver um modelo de diagnstico paragaseificadores de leito mvel a partir dos balanosdemassaeenergiadoprocessodegaseificaoquepermitaidentificaros parmetros prprios do processo como consumode biomassa, vazo de gs gerado, fator de ar, taxa especifica de gaseificao, potncia do gs e eficincia. Avaliarexperimentalmenteodesempenhodeummotoralternativodecombusto interna alimentado com gs de biomassa, visando a gerao de eletricidade. 5 1.1 CONTEDO Nocaptulo2apresenta-seafundamentaotericarelacionadacomgaseificaode biomassaemleitomveltipoconcorrenteemotoresalternativosdecombustointerna.Esta revisoestsuportadaporalgunstrabalhospublicadosnaliteraturacientificainternacional, mostrandoasprincipaisvariveisenvolvidasnoprocessodegaseificao,assimcomoas consideraes gerais a prever na alimentao do gs produzido em MACI. No captulo 3 mostram-se os materiais e mtodos considerados no desenvolvimento do presente trabalho. Alm das descries do gaseificador e o MACI, tambm apresentada uma brevedescriodascaractersticasbiomassaedainstrumentaoutilizadanasavaliaes dessesequipamentos.Almdisso,apresenta-seametodologiaseguidanostestesde gaseificao egerao de eletricidade a partir do motor, assim como os modelos de clculos envolvidos. Nocaptulo4apresenta-seosresultadosdostestesexperimentaisdegaseificaoede geraodeeletricidadeapartirdoMACI.Igualmentesoapresentadasasprincipais dificuldades evidenciadas. Nocapitulo5,mostram-seasconcluses,recomendaesepropostasdepesquisa futuras a partir da experincia obtida no desenvolvimento do presente trabalho. 6 Captulo 2 FUNDAMENTAO TERICA E ESTADO DA ARTE So j bastante conhecidas no mundo, as vantagens da biomassa como fonte de energia renovvel assim como sua contribuio na reduo da dependncia dos combustveis fsseis e dasemissesdegasesefeitoestufa,comooCO2.Paraocasodabiomassavegetal(gerada diretamenteatravsdafotossntese),asemissescorrespondentesaosdiferentestratamentos termoqumicosutilizadosparasuaconversoenergtica,considerammnimasconcentraes dexidosdeenxofre(umdosresponsveispelachuvacida),emcomparaoaos combustveisfsseis.Existemdiferentesrotasdeconversodabiomassaparasuautilizao ouaproveitamento.Processosfsicos(densificao,reduogranulomtricaeprensagem mecnica),termoqumicos(pirlise,gaseificaoecombusto)ebiolgicos(fermentaoe digestoanaerbia)permitematransformaodabiomassaemoutraformadeenergiamais homogneaoucommelhorescondiesparaseuaproveitamentofinal.Aseleodas alternativasdependeemsuamaioria,dascaractersticasfsico-qumicasdabiomassa (tamanho de partcula, umidade, textura, etc), assim como dos objetivos prprios do projeto: calor, gs combustvel, leos de pirlise, char ou carvo vegetal, etanol, biodiesel, etc. Detodososprocessosdeconversoenergticadabiomassa,possvelconsiderara gaseificaocomoademaiorversatilidadeparaageraodeeletricidadee/oupotnciade eixo.Deformaimediata,osgasescombustveisproduzidosnoprocessodeoxidaoparcial utilizandoarcomoagenteoxidante,podemacionarMACIeturbinasags(TG)para posteriormente produzir eletricidade mediante o acoplamento de um gerador.7 Este captulo apresenta os principais conceitos envolvidos na gaseificao de biomassa em reatores de leito mvel tipo concorrente, uma reviso do estado da arte deste processo de transformaotermoqumicanestetipodereatores,algunsaspectosrelacionadoscoma cinticadomesmo,ealimpezadosgasesproduzidosparaseuaproveitamentoemMACI. Tambm, algumas generalidades dos motores alternativos de combusto interna em questo e seu estado da arte considerando sua operao com gs de gaseificao de biomassa.. 2.1HISTRICO Sovriosostiposdereatoresquepodemserutilizadosparaodesenvolvimentoda gaseificao, existindo diferentes fatores para sua classificao: de acordo ao poder calorfico produzido,otipodeagenteoxidante,pressodetrabalhoemovimentorelativodo combustveleoagentedegaseificaoentreoutros.Osreatoresdeleitofluidizado (borbulhante ou circulante) e de leito mvel (concorrente, contracorrente ou de fluxo cruzado) soosmaisconhecidosedesenvolvidosatomomento.Cadaumapresentavantagense desvantagenscomrelaoasuaaplicaofinal,capacidadedeprocessamentoeoperao entreoutros.SegundoGarca-Bacaicoaetal.(1994),aseleodotipodegaseificador depende das caractersticas do combustvel a ser gaseificado e do uso final do gs energtico produzido. O reator de leito mvel tipo concorrente (dado que o gs gerado flui na mesma direo queomaterialasertransformado)outipodowndraft,umdosreatoresmaisdifundidose conhecidos, inclusive desde metade do sculo XIV (Snchez, 1994). Existem informaes da Europa de 1790 sobre produo de gs energtico a partir de carvo e madeira iluminao nas ruas,calefao,cocodealimentos,produodevapornasindstriaseoperaode mquinas no setor agrcola (Gengas, Knoef 2005). Foi durante a II Guerra Mundial devido escassez do petrleo, que a gaseificao teve ummaiorapogeu;pequenosgaseificadoresmveisdetipoconcorrente,chamados gasognios,eramutilizadosemveculosdeusourbano,caminhes,barcos,motores estacionriosemquinasagrcolasentreoutros,queutilizavammadeiraecarvocomo 8 combustvelparaseufuncionamento.AFigura2.1mostraumveiculomovidoporum gasognio,enquantoqueaFigura2.2apresentaumtratorigualmenteacionadoporum gaseificador.FinalmenteaFigura2.3mostraumcaminhoigualmentemovidopormeiode um gasognio. Por causa das baixas eficincias, os inconvenientes defuncionamento, asoperaes de manuteno dos filtros e dispositivos de refrigerao, os riscos potenciais de vapores txicos (pelo monxido de carbono produzido), e o advento da era do petrleo, a maior parte dessas unidadesforamabandonadasquandoestecombustvelfssilestevenovamentedisponvel depois da guerra. Figura 2.1 - Veculo movido por meio de um gasognio (Olsen, 2007). Figura 2.2. Trator movido por meio de um gasognio (Olsen, 2007). 9 Figura 2.3. Caminho movido por meio de um gasognio (Olsen, 2007). 2.2GENERALIDADES DA BIOMASSA Entre as energias renovveis, uma das mais importantes fontes no futuro em curto prazo a biomassa. Este energtico definido como toda substncia orgnica renovvel de origem animalouvegetal,quedeveseucarterenergticoaosol.Graasfotossntese,amatria vegetal absorve e armazena uma parte da energia solar que chega terra; as clulas vegetais utilizamaradiaosolarparaformarsubstnciasorgnicas(carboidratos)apartirde substnciassimplesedoCO2presentenoar.SegundoHorta&Silva(2003),aproveitando aproximadamente1%dototaldaradiaosolarincidentesobreaterra,estima-seque anualmente sejam produzidas, pelo processo de fotossntese, cerca de 220 x 109 toneladas de biomassa (base seca), o equivalente a uma energia de 2 x 1015 MJ, ou seja, mais de 10 vezes a energia global consumida por ano no nosso planeta. De forma geral, possvel afirmar que a biomassa composta de celulose, hemicelulose elignina.Assimmesmo,suanaturezaorgnicalheconferequantidadessignificativasde carbono,hidrognio(responsveispeloseucontedoenergtico)eoxignio,almde pequenasquantidadesdenitrognioecinzas(ondepermaneceamatriainorgnica).Em comparaocomoscombustveisfsseis,abiomassacontmmenoresquantidadesde carbono, uma quantidade maior de oxignio e um menor contedo energtico. 10 A grande vantagem da biomassa como fonte renovvel de energia, est relacionada com amitigaodasemissesdoCO2.Nestesentido,existeumaparcelaconsiderveldoCO2 emitidonautilizaoenergticadabiomassaquefoipreviamentefixadonocrescimentoda matria vegetal que a havia gerado. Assim, este composto tem uma menor influncia no efeito estufadoqueoscombustveisfsseis.Comoprincipaisdesvantagensestosuabaixamassa especfica e seu considervel contedo de umidade que influem nos custos associados ao seu transporte para seu aproveitamento energtico. Abiomassanormalmentecaracterizadapelasanliseselementareimediata,osquais permitem conhecer os contedos de carbono (C), hidrognio (H), nitrognio (N), oxignio (O) eenxofre(S)entreoutros,paraocasodaanliseelementar,eosteoresdeumidade(W), material voltil (MV), carbono fixo (CF) e cinzas (A), para o caso da anlise imediata. Sendo assim,naTabela2.1,soapresentadasasanliseselementareimediataemporcentagemem peso, assim como valores de poder calorfico superior (PCS) de diferentes biomassas. Tabela 2.1. Anlises elementar e imediata de algumas biomassas em base seca (Parikh et al 2005). Biomassa Anlise elementarAnlise imediataPCS (MJ/kg)CHONSMVCFA Wood chips48,15,9945,740,080,0076,4023,500,1019,916 Pine wood---------------73,6015,7011,3016,644 Wheat straw45,515,1034,101,80---63,0023,5013,5017,000 Rice straw---------------68,3016,2015,5015,614 Eucalypus46,045,8244,490,300,0075,3521,303,3518,640 Bagasse---------------86,3011,901,8018,167 Sugar cane leaves 39,755,5546,820,17---77,4014,907,7017,410 Tea waste48,605,5039,500,50---85,0013,601,4017,100 Sal seed husk48,126,5535,930,000,0062,5428,069,4020,600 Peach pit49,146,3443,520,480,0279,1019,801,5019,423 Block wood49,145,1043,520,480,0283,3214,592,0918,261 11 Segundo Goldemberg & Teixeira Coelho (2004), deve - se diferenciar entre a biomassa modernaeatradicional,dadaademandaatualdasfontesrenovveisdeenergiaeoapogeu queabiomassatemsobreasmesmas.Abiomassamodernaaquelaquerealmente produzida de modo sustentvel, a qual inclui a gerao de eletricidade, a produo de calor e combustveis para o transporte a partir de resduos agrcolas, florestais e slidos em geral. A biomassa moderna se insere na categoria das chamadas novas energias renovveis, juntamente comaenergiaelica,solar,geotrmica,depequenascentraishidreltricasedasmars. Contrariamente,abiomassatradicional,aquelaqueusadademodoineficientecomoem foges artesanais usados por populaes rurais paraa coco de alimentos, e que ocasionam grandesimpactosambientais(dadosospoluentesgerados)almdequeemmuitoscasos levam ao desflorestamento e a uma no sustentabilidade energtica e ambiental. 2.3GENERALIDADES DA GASEIFICAO A gaseificao definida como a converso de qualquer combustvel slido ou lquido em um gs energtico, atravs de sua oxidao parcial mediante o uso de ar, oxignio, vapor deguaouumamisturadosmesmos.TambmesegundoWarnecke(2000),agaseificao podeserdefinidacomootratamentotermoqumicolimitadopelacombustoeapirlise. Nestesentido,esteprocessopodeserentendidocomootratamentotermoqumicoquea diferenadacombusto,nopermiteaoxidaocompletadocarbonoedohidrognio presentesnocombustvelemCO2eH2Orespectivamente,dandoorigemacomponentes energticoscomoCO,H2eCH4.Almdosgasesmencionadosanteriormente,ogs produzidotambmcompostopelosprodutostpicosdecombusto:CO2,N2eH2O,assim como teores menores de hidrocarbonetos, como o eteno (C2H4), o etano (C2H6) entre outros. Entre as aplicaes, previa adequao dos gases, possvel a gerao de energia eltrica pormeiodeTG,MACI,clulasdecombustvel;assimcomoageraodeenergiatrmica mediante combusto direta em caldeiras ou fornos, ou tambm, na produo de hidrognio e outros produtos qumicos ao ser usado como gs de sntese. Portanto, cada tipo de reator tem suasprpriasvantagensedesvantagensnasqualidadesecaractersticasdogsproduzido.A 12 Tabela2.2mostraalgumascaractersticasdeoperaodegaseificadoresdeleitomvel concorrente e leito fluidizado borbulhante, a partir a experincia do autor. Tabela 2.2. Caractersticas de operao de gaseificadores de leito mvel concorrente e leito fluidizado borbulhante. Leito mvel concorrenteLeito fluidizado borbulhante Distribuio heterognea de temperatura com formao de pontos quentes Distribuio homognea de temperatura, com limitao na temperatura do processo Alta eficincia na converso do carbono Alta eficincia na converso do carbono Boa qualidade do gs produzido em termos de alcatro e particulados Mediana qualidade do gs produzido em termos de alcatro e particulados Tolerncia na fundio das escorias Dificuldades na fundio das escorias pudendo dar origem ao colapso do leito O preaquecimento do reator demora minutos O preaquecimento do reator demora horasControle do processo simples Controle do processo com mais exigncia Paraocasodereatoresdeleitomvel,atemperaturadoprocessopodeinclusive alcanarvaloresatde1200C(Belgiornoetal.2003).Nocassodosreatoresdeleito fluidizado, a temperatura de operao est limitada ao valor da sinterizao das partculas que compem a mistura, a qual geralmente no supera os 900 C. 2.3.1Gaseificao em reator de leito mvel A gaseificao em leito mvel (devido ao fato de que em operao continua na medida em que o combustvel alimentado e as cinzas retiradas, o leito move-se do topo para o fundo do reator) ou tambm chamados de leito fixo, pode ser classificada de acordo ao movimento 13 relativo do fluxo gasoso obtido atravs do reator; dizer, em corrente ascendente (updraft) ou emcorrentedescendente(downdraft).Tambm,podeserclassificadadeacordocomas direes do fluxo do combustvel a ser transformado (neste caso biomassa), e o fluxo gasoso gerado.Sendoassim,oprocessopodeserconsideradocomogaseificaoemcontracorrente (counter-current),emconcorrente(con-current)eemfluxocruzado(cross-current).Dado que a biomassa usualmente alimentada pelo topo deste tipo de reatores, comumente aceito queagaseificaoemcorrentesascendentesedescendentessejamchamadascomo contracorrente e concorrente respectivamente. Nosgaseificadoresdeleitocruzadoocombustvelfornecidopelapartesuperiordo reator, enquanto o ar alimentado lateralmente. O gs gerado sai pelo lado oposto na mesma direoemquefoifornecido.Aszonasdecombustoegaseificao(oureduo)esto prximasentradadoareasadadogsenergticoobtido(Figura2.4).Ascinzasso removidaspelaparteinferiordoreator.Oequipamentopossuirelativasimplicidadede construo.Ogsgeradoapresentaumconsidervelcontedodealcatrosendoaproduo de energia trmica, sua aplicao mais imediata. Figura 2.4. Esquema da gaseificao em reator de leito cruzado. 14 Nogaseificadorcontracorrenteofluxodegsgeradoescoaemsentidocontrrio alimentaodebiomassa,aqualfeitapelapartesuperiordoreator.Nestesentido,o combustvel que est sendo gaseificado experimenta seguidamente os processos de secagem, pirlise, reduo e combusto, na medida em que os gases gerados procuram a sada do reator localizadanapartesuperiordomesmo.Estaconfiguraopermitequeosgasesgerados tenhamumaltoteordealcatro,sendoconsidervelaeficinciatrmicadoprocesso. SegundoBelgiornoetal.(2003),atemperaturanazonadecombustopodesersuperioraos 1200C.Geralmenteasaplicaesdestetipodereatoresconcentram-senaproduode energiatrmicapormeiodaoxidaodosgasesgeradosnagaseificao.AFigura2.5 apresenta um esquema geral do processo. Figura 2.5. Esquema da gaseificao em reator de leito mvel contracorrente. Nagaseificaoemleitomveltipoconcorrente,ocombustvelfornecidopelaparte superiorenquantoqueoarsemovimentaemsentidodescendente,podendoseralimentado lateralmente ou pela parte superior do reator. A principal vantagem deste tipo de reatores a poucaquantidadedealcatronogsenergticoproduzido,devidoaocraqueamentodo mesmoaopassarpelasregiesdealtatemperaturadoprocesso(zonadecombusto).Na 15 Figura2.6,apresentadoumesquemageraldestetipodereator,assimcomoasdiferentes zonas do processo de gaseificao. Demodogeral,possvelafirmarqueosreatoresdeleitomvelapresentamuma considerveleficinciatrabalhandocomcombustveisdealtamassaespecficae granulometria. Este tipo de reator considerado por muitos como a forma mais satisfatria de se obter energia mecnica a partir de MACI (Beenackers, 1999; Jain & Goss, 2000; Tinaut et al.2006)dadoofatodoteordealcatronogsproduzido.SegundoBhattacharyaetal. (2001), as concentraes de alcatro no gs produzido a partir da gaseificao de biomassa em leitomvel,estonafaixade10a100g/m3ede50a500mg/m3paragaseificadorestipo contracorrente e tipo concorrente respectivamente. Figura 2.6. Esquema de um gaseificador concorrente convencional. Noobstante,aimplementaodegaseificadorestipoconcorrenteestlimitadaa capacidadespequenas(Garca-Bacaicoaetal.1994).Nestesentido,acapacidademxima permissvelreportadasnaliteraturasobastanteheterogneas,comvaloresdesde1MWt (Klein,2002)e1,5MWt(Maniatis,2001)at5MWt(Knoef,2002).Parareatorescom garganta, Beenackers (1999), apresenta uma capacidade mxima de 1 MWe. 16 2.3.2Gaseificao em reator de leito mvel tipo concorrente Paraocasoespecificodosgaseificadorestipoconcorrente,ascaractersticasfsicasdo reator tem efeitos adicionais na qualidade do gs combustvel. Neste sentido, o reator pode ter uma reduo do dimetro interno (garganta) na regio da zona de combusto, que favorece o craqueamentodoalcatrograasconcentraoemisturadosgasesdoprocessoe homogeneidade da temperatura (Beenackers, 1999). Nesta zona se posicionam os injetores de ar,arranjadosafimdedistribuirooxidantedaformamaisuniformepossvelepoderassim garantirquesejaatingidaumatemperaturaadequadaemtodaasecoparaoposterior craqueamento dos alcatres que passam por ela. A temperatura mxima nas entradas de ar e diminuirapidamentecomadistancia,oquesignificaqueexisteumlimitepraticoparaas distancias entre as entradas e conseqemente para o dimetro da garganta. Considerando essas caractersticas,odimensionamentodagargantaumpontocriticodoprojeto.Segundo Garca-Bacaicoa et al.(1994), o projeto dagarganta eemgeral da zona de combusto, pode serrealizadaapartirdofluxodebiomassaederelaesqueestonafaixade0,05a1 kg/s.m2.Usualmenteogaseificadordeleitomvelconcorrentecomgarganta(Figura2.7), conhecido pelo termo Imbert, em homenagem a seu criador Georges Imbert no ano 1920. Figura 2.7. Gaseificador tipo Imbert. 17 Por outro lado, possvel encontrar o gaseificador concorrente sem reduo do dimetro interno,ondeocontedodealcatrogeradomaioremcomparaocomoreatorcom garganta.Embora,aprobabilidadenaformaodecanaispreferenciais,pontesinternase/ou espaos mortos, quando se utilizam combustveis de baixa massa especfica diminui. Alm disso, quando o fornecimento do ar efetuado pela parte superior do reator, mantendo aberto otopodomesmo,osistemacomumenteconhecidopelostermosemingls,stratifiedou open top gasifier (Figura 2.8). Figura 2.8. Gaseificador tipo Stratified. Outrasvantagensdagaseificaoemleitomveltipoconcorrentesoaaltaeficincia na converso do carbono, as pequenas quantidades de cinzas e alcatres no gs produzido, a rpidarespostaamudanasrpidasnacargaeafacilidadeconstrutiva(Midillietal.2001; Dogruetal.2002a).Tambm,comoprincipaisdesvantagensestoalimitaonoscale-up (segundoReed&Das1988;pelasdificuldadesnadistribuiohomogneadoagente gaseificante em reatores com dimetros maiores), assim como as possveis dificuldades com a fuso de cinzas alm de algumas restries na umidade do combustvel ( 990 60 Separador de partculas85 9030 70 Filtro de adsoro---50 Aremoodealcatroumdosaspectosmaisimportantesnoacondicionamentodos gasesdegaseificao.DeacordocomDevietal.(2003),astecnologiasderemoode alcatropodemserdivididasemtermosgeraisdeacordocomduasabordagens:tratamentos dentro do gaseificador (mtodo primrio), e limpeza a quente do gs depois do gaseificador, dizerforadoequipamento(mtodosecundrio).AsFiguras2.16e2.15apresentamum esquema geral de cada conceito. Figura 2.16. Remoo de alcatro segundo o mtodo primrio (Devi et al. 2003). 41 Figura 2.17. Remoo de alcatro segundo o mtodo secundrio (Devi et al. 2003). SegundoDevietal.(2003),osmtodosprimriossodefinidoscomotodosaqueles procedimentos considerados no processo de gaseificao propriamente dito a fim de prevenir ou converter o alcatro produzido. As medidas levadas em conta no mtodo so as seguintes: Seleo adequada das condies de operao: Ajuste do fornecimento de ar a fim de que a temperaturadareaoapresentevaloreselevados(geralmentedaordemde800C)para finalmente obter uma maior converso do carbono presente na biomassa. Uso de aditivos ou catalisadores durante a gaseificao: O uso de catalisadores durante a gaseificaodebiomassapromovesuatransformao,assimcomoareduodoteorde alcatro(Devietal.2003).Oscatalisadoresmaisconhecidoseutilizadossoaspedras calcriascomoacaliza(CaCO3)eadolomita(CaMg(CO3)2),osmineraisquecontm aluminosilicatos(zeolitas),eoscatalisadoresmetlicoscomooscompostosabasede Ferro(Fe)ouNquel(Ni).PormesegundoZhangetal.(2004),oscatalisadores metlicos utilizados durante o processo de gaseificao apresentam uma rpida saturao. Projetoadequadodogaseificador:Oprojetodoreatortemumefeitoconsidervelno processodegaseificao,emtermosdeeficincia,podercalorficoeformaode alcatro. Neste sentido e como j foi explicado na seo 2.5.3 dois projetos diferentes de gaseificadorescomdoisestgiospermitemreduesimportantesnoteordealcatro produzido. 42 PoroutroladoedeacordocomDevietal.(2003),ostratamentosdelimpezadegs depoisdasadadogaseificador(mtodosecundrio),reportamserbastanteefetivosna reduodoteordealcatro,pormemalgunscasosnosoeconomicamenteviveis. Tambm e segundo Zhang et al. (2004), o tratamento do alcatro presente no gs gerado, pode serealizarpormtodosfsicos,trmicose/oucatalticos.Osprimeirosutilizammecanismos de interfaces gs/slido ou gs/liquido, a fim de conseguir a separao do mesmo. Exemplos destesmecanismossoosfiltroseoslavadoresdegs(scrubbers).Embora,edevidoaque no se tem uma transformao do alcatro, a disposio dos mesmos pode representar um alto impacto ambiental. Nos processos trmicos, precisa - se temperaturas da ordem de 1000 C a fimdecraquearoscompostosmaispesadosemespciesmaislevescomoohidrognio, monxidodecarbonoemetano.Finalmente,osmtodoscatalticos(aquelesqueaceleram algumareaoqumica)trabalhamatemperaturasmenoresqueosprocessostrmicos, evitandoousodemateriaiscustososnaconstruodosreatoresdecraqueamento.Ofatode transformar o alcatro presente na mistura gasosa evita os problemas associados disposio de resduos. De acordo com Sutton et al. (2001), os catalisadores mais conhecidos e utilizados at o momento,soadolomita(CaMg(CO3)2),algunsmetaisalcalinos(comoocarbonatode potssio (K2CO3) ou o carbonato de sdio (Na2CO3)) e aqueles fabricados em base de Nquel (Ni). Segundo os autores, as pesquisas com os metais alcalinos tm consistido na avaliao da biomassa impregnada com o catalisador, dizer na remoo do alcatro de acordo ao mtodo primrio,encontrandosecustosconsiderveisedificuldadesnarecuperaodosmetais.Os resultadostambmtmpermitidoodesenvolvimentodepesquisasnoefeitocatalticodas cinzas de biomassa, dada a presena de metais alcalinos. Tambm,esegundoosmesmosautoresadolomitacommaiorcontedodexidosde ferro(Fe2O3)emaiortamanhodeporos,apresentamelhoresresultadosnaremoodos hidrocarbonetos. Sua principal vantagem est relacionada com seu baixo custo e as altas taxas de remoo dos hidrocarbonetos mais pesados. Para o caso dos catalisadores a base de Nquel, os autores ressaltam a efetividade destes compostosnaremoosecundariadosalcatres(atemperaturasemtornoa780Cem 43 reatoresdeleitofluidizadoindependentesdoreatordegaseificao),assimcomosua disponibilidade comercial e seu relativo baixo custo. Na Tabela 2.8, se apresentam valores limites de concentrao de partculas e alcatro no gsprodutodagaseificaodebiomassa,parasuaposterioralimentaonumMACI.No obstante,osvaloresalimostrados,devemserinterpretadoscuidadosamentedadoqueotipo demotorrepresentaumfatorimportantenosrequerimentosdequalidadedogs,podendo inclusivetolerarnveissuperioresdeconcentraodepartculasealcatro.Inclusoalguns autorescomoBhattacharyaetal.(2001),relatamconcentraesmximaspermissveisde alcatrode10mg/Nm3,afimdeterumadequadodesempenhodosistemagaseificador motor. Tabela 2.8. Requerimentos de qualidade do gs produto da gaseificao de biomassa para seu aproveitamento num MACI (Hasler & Nussbaumer, 1999). PoluenteUnidadeValor Partculasmg/Nm3< 50 Tamanho de partculasm< 10 Alquitranesmg/Nm3< 100 2.7GENERALIDADES DOS MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTO INTERNA Osmotoresalternativosdecombustointerna(MACI)somquinastrmicasque transformamaenergiaqumicadeumasustncialiquidaougasosa,emenergiamecnica (movimento rotativo de eixo); por meio da sua combusto numa cmara interna que ativa um conjunto pisto, biela e virabrequim. OsMACImaispopulareseconhecidos,soaquelesondeopisto(oupistes),se movimentamdemodoalternativo(paraadianteeparatrs)nointeriordocilindro(ou 44 cilindros) da mquina. Estes motores podem estar configurados para que a ignio da mistura combustvel/comburentesejaprovocada.Nestesentidoomotorchamadodeigniopor centelha, tipo Otto ou tambm a gasolina. Aqueles onde a ignio acontece espontaneamente pela alta temperatura atingida na compresso da mistura, so usualmente chamados de ignio por compresso ou tipo Diesel. Emtodososcasosecomojfoimencionado,deve-segarantirumaqualidade suficientenogs,emtermosdealcatroeparticulados,afimdepreverdificuldadesnos diferentesdispositivosprpriosdamquinatrmica.Osrequerimentoseastolernciasdos contedos de impurezas do gs dependem das especificaes da mquina. Acontinuaoapresentamsealgumasdefinieseinformaesbsicasrelacionadas com os MACI, assim como classificaes, ciclos de operao e caractersticas de combusto. 2.7.1Terminologias e abreviaes Os diferentes MACI (sejam tipo Otto o tipo Diesel) apresentam algumas caractersticas etrminoscomunsquesoexplicadosacontinuao.Asdefiniesaquimostradasforam adaptadas de Heywood (1988) e Pulkrabek (1997). PMS:Pontomortosuperior,ouTDCsegundooinglsTopDeadCenter,corresponde ao ponto no que o pisto termina seu percurso no interior do cilindroficando no ponto mais longe do virabrequim. APMS: Antes do ponto morto superior, ou BTDC devido s palavrasem ingls Before Top Dead Center. DPMS: Depois do ponto morto superior, ou ATDC, pelo ingls After Top Dead Center. PMI:Pontomortoinferior,ouBDC,deacordoaoinglsBottomDeadCenter, corresponde ao ponto no qual o pisto termina seu recorrido no interior do cilindro ficando no ponto mais perto do virabrequim. 45 APMI:Antesdopontomortoinferior,ouBBDCdevidospalavraseminglsBefore Bottom Dead Center. DPMI:Depoisdopontomortoinferior,ouABDCdevidospalavraseminglsAfter Bottom Dead Center. Fatorlambda():Correspondeaovalordarelaoar/combustvelestequiomtrica dividida pela relao ar/combustvel real utilizada no motor. Se o valor de for maior do que 1, a mistura chamada rica, significando que rica em combustvel. Se fosse menor do que 1, chamada mistura pobre. Taxa ou relao de compresso: a relao existente entre o volume total do cilindro e o volume da seco de combusto. Segundo Heywood (1988) e Pulkrabek (1997), os motores tipo Otto apresentam taxas de compresso na faixa de 8 e 12, enquanto os motores tipo Diesel nafaixade12e24.Arelaomatemticaparaataxadecompresso(Rc)apresentadana equao 2.22 (Pulkrabek, 1997). cd ccVV VR+=(2.22) VccorrespondeaovolumelivreentreoPMSeotopodacmaradecombusto (clearance volume), e Vd ao volume da seco de combusto (displacement volume). OVd,calculadoapartirdodimetrodocilindro()eodeslocamentodopisto (stroke) (L), conforme a equao 2.23. L Vd =24(2.23) NaFigura2.18,seapresentaumesquemadopistoecmaradecombusto,ondeso apresentadasasvariveisanteriormentecomentadas.importanteressaltarqueongulode rotao do virabrequim gira em relao a um eixo imaginrio normal, no sentido horrio. 46 Figura 2.18. Esquema cilindro pisto num MACI (Heywood, 1988). 2.7.2Os ciclos bsicos de operao SegundoHeywood(1988),amaioriadosMACIoperamemquatrotempos;oque significaquecadacilindrorequerequatrodeslocamentosdeseupisto(duasrevoluesno virabrequim)paracompletaraseqnciadeeventosqueproduzeumciclodepotncia. Tambm existem motores que operam em dois tempos, quer dizer, aqueles onde tem se uma revoluo no virabrequim. Demodogeral,asvantagensdosMACIdedoistemposcomrelaoaosdequatro tempospodemserresumidasnoseumenorpesoecusto,assimcomonasimplicidadede construo(dadasamenorquantidadedepeasmecnicas).Porm,existemtambm desvantagens significativas que fazem os motores de quatro tempos muito mais versteis em aplicaescontinuasedecondiesdetrabalhoexigentes.Nestesentido,asdesvantagens principaisdosmotoresdedoistemposcorrespondemfaltadeumsistemadelubrificao queeviteorpidodesgastedamquina,emenoreficinciadamquinanautilizaodo combustvel. Alm do anterior, o leo lubrificante tem um custo e um consumo considervel querepercutenomeioambiente,dadaamaioremissodesubstanciaspoluentes(emmaior 47 parte pela queima do leo s condies de combusto do combustvel) em comparao com as mquinas em quatro tempos 2.7.3Motor de ignio por centelha Conformemencionadoanteriormente,osmotoresalternativosdeignioprovocada (centelha eltrica geralmente causada pelo efeito de uma velha) so tambm conhecidos com onomedemotorestipoOtto,emhomenagemaNikolausOtto,oqualparticipouemseu desenvolvimentoem1876.Convencionalmenteestesmotoresutilizamgasolina,lcool,uma mistura de ambos, ou tambm gs natural ou GLP como combustvel. Caso a mquina trabalhe com carburador, a mistura de ar (comburente) e combustvel realizadaantesdeentrarnocilindrodomotor.Poroutrolado,omotorpodeterum mecanismodeinjeoqueatomizaocombustveldetalformaquesuacombustoseja favorecida uma vez o ar succionado pelo pisto. Assim e depois que a vlvula de admisso esteja fechada, a mistura comprimida dando passo a sua ignio usualmente na faixa de 10 a 40 APMS (Heywood, 1987). Segundo Pulkrabek (1998), o tempo de ignio ou spark timing em ingls, depende do tipo de combustvel, a velocidade do mesmo, e a geometria interna do motor.AseqnciadeeventosqueocorremnointeriordocilindroapresentadanaFigura 2.19.Tambmpossvelapreciaroperfildepressoemfunodongulodovirabrequim nesta figura. Ociclotermodinmicopadrodomotordeignioporcentelha,apresentadona Figura 2.20a. O ciclo, sem considerar as etapas de admisso e exausto dos gases (0-1y 1-0 respectivamente) comea com o movimento ascendente do pisto comprimindo a mistura num processo adiabtico reversvel, dado a alta velocidade do pisto e o pouco tempo para a troca decalor(1-2).Posteriormentesedinicioadiodecalorquepermiteumaumentoda presso.Dadoqueestaltimabastanterpida,podeseconsiderarqueoprocessoocorrea volumeconstante(processoisocrico,2-3).Emseguidaaconteceaexpansodosgases geradosnacombusto,ondeserealizaomovimentodescendentedopisto(processo adiabtico 3-4). Finalmente, a vlvula de escape aberta, reduzindo rapidamente a presso da cmara, ocorrendo uma perda de calor a volume constante (processo 3-4). 48 Figura 2.19. Seqncia de eventos no interior da cmara de combusto de um MACI de ignio por centelha de quatro tempos (Heywood, 1987). ConformepossvelobservarnaFigura2.20b,ociclorealdiferebastantedociclo terico.Porexemplo,aqueimadamisturacombustvel(processo1-2)noocorreavolume constante,jqueprecisoumtempoapropriadoparacompletaroprocessodeoxidao, gerando um deslocamento do pisto. Figura 2.20a. Esquema do ciclo padro Otto. Figura 2.20b. Esquema do ciclo realOtto. 49 2.7.4O nmero de octanagem (NO) e o nmero de metano (NM) O nmero de octanagem ou simplesmente octanagem, um parmetro associado com a capacidadedeauto-igniodeumcombustvel(particularmentelquido)dadaatemperatura alcanada numa compresso especfica. Por esta razo os motores a gasolina apresentam taxas decompressoinferioresa12.Aoctanagemdefinidacomoamedidadatendncia detonao de um combustvel lquido. Segundo Pulkrabek (1997), a octanagem 100 refere-se tendncia detonao do iso-octano, em quanto o octanagem 0 faz referncia ao n-heptano. Paraocasodoscombustveisgasososfoidesenvolvidaumanovaescaladenominada nmerodemetano(NM)queutilizacomorefernciasometanopuro(NM=100)eo hidrognio (NM = 0). Assim, o nmero de metano a analogia do nmero de octanagem para combustveisgasosos.Quantomaiorsejaonmerodeoctanagemoudemetano,menora tendnciadetonao.Nestesentido,autilizaodecombustveisemmotorescomaltas relaesdecompresso,precisadealtosnmerosdeoctanagem/metano.EmboraoNOseja usadoemestudosdecombustodecombustveisgasosos,Malenshek&Olsen(2009), promovemautilizaodoNMnestescombustveis,ressaltandoofatodequemuitomais apropriadoparaaidentificaodoefeitodetonao(knock).Osautoresdesenvolveramum interessantedispositivoemodeloparaadeterminaodoNMadiferentescombustveis alternativos gasosos. Num comunicado pessoal, os autores reportaram um NM em torno de 80 para uma composio de gs de gaseificao de 20% de H2; 20% de CO; 1% de CH4; 13% de CO2 e 46% de N2. Desta forma, um gs com composio menor ou igual que a anterior, no deveriaternenhumproblemadedetonaonummotorconvencionaldegsnatural.ONM para o gs natural est na faixa de 75 a 95 (Malenshek & Olsen, 2009). DeacordocomSridharetal.(2001);ogsprodutodagaseificaodebiomassadeve apresentar valores de octanagem maiores do que o gs natural (em torno a 120-130), dada as grandesquantidadesdegasesinertesquecompemamisturacombustvelqueatuamcomo supressores do efeito knock (CO2 e N2 nas faixas de 12 - 15%, e 48 - 50% respectivamente). Shrestha&Rodrigues(2008)mostraramoefeitodapresenadeCO2eN2emcombustveis gasosos. A resistncia detonao aumentou com incrementos nas concentraes destes gases nocombustvel.ApresenadoCO2numgscombustveldebaixoNMpermitiuuma combustocontroladaesemnenhumefeitodedetonao.ON2tambmmostrouuma 50 tendnciasemelhante,masaumnveldemenoreficciaqueeCO2.Tambm,Muozetal. (2000)afirmamqueogsproduzidoapartirdagaseificaodebiomassaapresentauma octanagemsuperiora100.Oanteriorconfirmaapossibilidade,dousodosmotores convencionais de gasolina e diesel com gs pobre de gaseificao de biomassa. 2.7.5Motor de ignio por compresso O motor de ignio por compresso (dada a alta temperatura atingida na compresso do ar) ou simplesmente motor tipo Diesel (em homenagem a seu criador Rudolf Diesel em 1893) aquela mquina trmica que geralmente trabalha com leo diesel derivado do petrleo e os obtidos na transesterificao da biomassa. A principal diferena com o motor Otto, e a maior relao de compresso. OciclotermodinmicopadrodomotorDieselapresentadonaFigura2.21a,em quantoqueumaaproximaoaociclorealmostradanaFigura2.21b.Adiferenacomo ciclodomotorOttoestnatransformao2-3,queisobricaenosobvolumeconstante (isocrica). Desconsiderando os processos de admisso de ar (0-1) e exausto dos gases (1-0), o ciclo comea igual que o ciclo Otto, com uma compresso do ar de forma adiabtica (1-2). Posteriormentefornecidoocombustvelnamassadearquentepelacompresso(a temperaturadoarpodeestarprximade800K(Heywood,1987)),ocorrendoaoxidaodo combustvelnumpequenointervalodetempopodendoseconsiderarapressoconstante (processo isobrico 2-3). Finalmente, a expanso adiabtica (3-4) e a reduo de presso (4-1) ocorremdamesmaformaquenocicloOtto,deformaadiabticaeavolumeconstante respectivamente. DeacordocomHeywood(1987),ainjeodocombustvelnummotortipoDiesel comeaemtornoa20APMS,conformesemostranaFigura2.22.Ocombustvel, geralmentelquido,injetadonocilindroondeposteriormenteevaporadodadaainterao aerodinmica com o ar e os processos envolvidos de transferncia de massa e calor. Tambm naFigura2.22,possvelapreciaroperfildepressoemfunodoangulodovirabrequim, para o motor tipo Diesel. 51 Figura 2.21a. Esquema do ciclo padro Diesel. Figura 2.21b. Esquema do ciclo real Diesel. Figura 2.22. Seqncia de eventos no interior da cmara de combusto de um MACI de ignio por compresso (Heywood, 1987). 52 2.7.6O nmero de cetano (NC) A diferena dos motores de ignio provocada, nos motores de ignio por compresso faz se necessrio que as condies no cilindro atinjam os valores de presso e temperatura adequados para favorecer a auto-ignio uma vez o combustvel fornecido. Neste sentido, o nmerodecetanotemumarelaocomotempoquetranscorreentreainjeodo combustvel e o comeo de sua combusto. Quando maior for o nmero de cetano, menor ser oatrasodeignioe,porconseguintemaisrpidaseraauto-igniodocombustvel.De acordocomPulkrabek(1997),osnmerosdecetanoestoestabelecidosapartirdeduas referncias padres, 100 para o hexadecane (C16H34) e 15 para o heptamethylnonane (C12H34). 2.7.7O efeito detonao (knock) Tambm chamado efeito ping (Pulkrabek, 1997), ou simplesmente detonao, o knock aquelefenmenorelacionadocomaauto-igniodocombustvelepicosdepressono cilindrodomotorapsiniciadaacombusto.Nestesentidoecomomostrasenoesquema da Figura 2.23, o knock originado por causa de um aumento na compresso e a temperatura damisturacombustvel(atingindoovalordeauto-ignio)namedidaemqueofrentede chamaavana.Assim,napartefinaldodesenvolvimentodaignio,amisturacombustvel que ainda no foi queimada sofre detonao dado o aumento da presso e a temperatura nesse ponto particular. Figura 2.23. Esquema geral de acontecimentos na cmara de combusto que do origem ao fenmeno do knock (Pulkrabek, 1997). 53 O nmero de octanagem faz referncia tendncia anti knock, apresentado dependncia dascaractersticasprpriasdocombustvel.SegundoMuraro(2006)quantomaislongaa cadeiadecarbonosmaioratendnciadocombustvelaproduziresteefeitoabaixas presses.NaFigura2.24ae2.24b,mostraseoperfildepressonocilindrocombrevee forte knock. Agudeloetal.(2007)estudaramocomportamentodacombustodegspobre manufaturado(C0,4H0,48O0,56N0,8)nummotordeignioporcentelha(ASTM-CFR)a diferentes condies do ponto de ignio (10 30 APMS) e relao de compresso (8 - 10). Osresultadosobtidosnoevidenciaramregistrodeknockparaafaixadecondies implementadas. Figura 2.24a. Combusto com breve knock (Pulkrabek, 1997). Figura 2.24b. Combusto com forte knock (Pulkrabek, 1997). 2.7.8A velocidade de chama Emtermosgerais,possvelafirmarqueavelocidadedechamaoparmetroque defineascaractersticasdaoxidaodeumcombustvel,apresentandonotvelinfluenciana taxa de energia liberadadurante o processo, assim como no comportamento das emisses de poluentes. 54 A velocidade de chama de um combustvel especfico dependente da sua composio qumicaedaquantidadedearempregadaparasuaoxidao,assimcomascondiesde pressoetemperaturadamistura.Tambm,otipodeescoamento(laminarouturbulenta) apresentaumefeitoconsidervelnavelocidadedachama.SegundoMuraro(2006),a turbulncia no interior de um MACI permite atingir maiores eficincias de combusto. Porm, e considerando que a velocidade rotacional do motor determina as caractersticas do ar que succionadonointeriordomesmo,possvelafirmarqueavelocidadedachama proporcionalaoregimedegirodomotor.Tambm,esegundoPulkrabek(1997),misturas pobres (de combustvel)apresentam baixas velocidades dechama,em quanto misturas ricas, mostram maiores velocidades. SegundoDassapaetal.(2007),avelocidadedechamalaminaremcondies estequiomtricasparaogsdegaseificaodebiomassanumreatordeleitomvel concorrente que usa ar como agente oxidante 30% maior do que o gs natural (Tabela 2.9), apresentando-se a necessidade de ajustar o tempo de ignio (atrasar) a fim de atingir maiores potncias e eficincias no motor. O anterior justificado s altas concentraes de hidrognio nogs,oqualapresentaumavelocidadedechamalaminarestequiomtricade270cm/sem comparao a 35 cm/s para o metano (Sridhar et al. 2005). Tabela 2.9. Comparao de propriedades do gs de gaseificao de biomassa e gs natural (Dassapa et al. 2007). PropriedadeGs de gaseificaoGs natural Relao ar/combustvel estequiomtrica 1,3517,2 Velocidade de chama laminar (cm/s)5035 Pico da temperatura de chama (K)18002210 Tambm,Hernndezetal.(2005)utilizandoumabombadecombustoencontrou velocidadesdechamalaminaresparaogsdegaseificaode0,5m/sa300K,1bare condiesestequiomtricas.OsautoresusaramtambmosoftwareCHEMKINjuntocomo GRI-Mech para o clculo terico da velocidadede chama a diferentes condies de presso, 55 temperatura e excessos de ar. Neste sentido foi encontrado o valor de 0,42 m/s para 300 K, 1 barecondiesestequiomtricasdeoxidao.Condiestpicasnointeriordomotor(altas presses e temperaturas), o gs de gaseificao de biomassa apresentou velocidades de chama menores do que o iso-octano e maiores do que o metano. 2.7.9O tempo de ignio O tempo de ignio ou spark timing em ingls est intimamente ligado velocidade da chama.Assim,otempodeigniodeveriaseratrasado(verFigura2.25)quandoamistura ar/combustvelapresentaumamaiorvelocidadedechama,comoocasodogspobrede gaseificao de biomassa. Segundo Sridhar et al. (2001), maiores concentraes de hidrognio nogsdegaseificaosignificaqueotempodeigniodeveserretardado,afimde aproveitar o aumento na velocidade de chama. Figura 2.25. Representao esquemtica do avano e o atraso de ignio num MACI. Teoricamenteomomentoidealparaaignioquandoopistoestna partesuperior permissveldocilindro(justamentequandoamisturacomburente/combustvelest completamentecomprimida)afimdequeopistopossadescercomamaiorforapossvel. Porm,edadoqueacombustoocorreemumtempofinitoquedependeprincipalmenteda velocidadedachama,precisoparacadatipodecombustvelemotor,ajustaraposiodo 56 pistonocilindro(grausnovirabrequim)afimdeaproveitaramximaenergialiberadana combustoedeterumcomportamentoadequadodopistonomotor.SegundoHeywood (1987), um adequado tempo de ignio permite um maior torque a umas revolues fixas da mquina,correspondendoaumamaiorpotnciaeummenorconsumoespecficode combustvel.EstepontousualmenteconhecidopelasiglaMBT,devidoaseunomeem ingls maximum brake torque. Sridhar et al. (2001) para gs com misturas de 20,5 0,5% de H2 e 19,5 0,5 de CO, encontrou tempos de ignio para atingir o MBT na faixa de 6 a 10 APMS, a uma relao de compressonomotorde17:1.Pararelaesdecompressode11,5;ostemposdeignio corresponderam faixa de 14 16. O anterior confirma os atrasos a ser considerados com gs pobre em MACI. 2.8PARMETROS QUE INFLUENCIAM A PERDA DE POTNCIA DOS MACI ALIMENTADOS COM GS DE GASEIFICAO DE BIOMASSA De modo geral possvel afirmar que o gs de gaseificao pode ser usado em qualquer motor alternativo. Segundo Sridhar et al. (2001), o gs de gaseificao de biomassa pode ser usadoemmotoresDieselsemmaioresmodificaes,pudendoeconomizaratum85%do leodieselnaoperao.Emboraaenergiaproduzidanosejatotalmenterenovvel,esta configuraotemavantagemdeoperaonormalquandotemsealgumadificuldadeno gaseificador. Teoricamente as modificaes num motor de ignio por compresso para seu uso total comgs degaseificaodevem considerar a implementao de um misturador e um sistema de ignio. No obstante, na prtica, o gs usualmente misturado na linha de alimentao do ar. Desta forma o misturador pode ser desconsiderado para os motores de ignio provocada e de compresso. Sridhar (2003), mostra em detalhe as modificaes desenvolvidas num motor tipoDieselparaseuusocomomotordeignioprovocadacomgsdegaseificaode biomassa.EstetipodeMACItemsidoestudadocomgssintticomanufaturado(com 57 concentraes tpicas do gs de gaseificao) como mostra Barrio (2001) e tambm com gs produzidodireitamentenumgaseificadordebiomassacomoomostradoporShashikanthaet al.(1993),Ramachandra(1993)eSridharetal.(2001).Tambmexistem algumaspesquisas onde o diesel substitudo parcialmente pelo gs, conforme o relatado por Wang et al. (2007), Ramachandra (1993), Bhattacharya etal. (2001),Uma et al. (2006), Ramadhas et al. (2006), Ramadhas et al. (2008), e Banapurmath & Tewari (1999). A perda de potncia, ou de-rating, nesta configurao est na faixa de 20 30% (Banapurmath & Tewari, 1999). Por outro lado tambm tem se importantes pesquisas em relao ao uso de motores de ignio por centelha com gs sinttico manufaturado (com as concentraes tpicas do gs de gaseificao)talecomomostraMuozetal.(2000)eAgudeloetal.(2007),assimcomo tambmcomgsproduzidodireitamentenumgaseificador,comofoimostradoporMuraro (2005). Devido menor relao de compresso deste tipo de MACI, o de-rating, muito mais considervelquenosmotoresdeignioporcompresso.SegundocomSridhar(2003),em geral, a perda de potncia quando utilizado o gs de gaseificao de biomassa num MACI, atribudoreduonopodercalorficodamisturags/ar,eonmerodemolculasdos produtos da combusto. Do mesmo modo e de acordo com Lapuerta et al. (2001), a potncia nomotorestlimitadapelovolumedamisturags/arqueentranocilindrodomotor.Os carburadores convencionais esto projetados para combustveis gasosos que apresentam altas relaesestequiomtricascomoogsnatural.Destaforma,evidenteanecessidadedeum dispositivoadequadoquepermitaumatimamisturaedosagemafimdemelhoraro desempenhodomotor.Sridharetal.(2005)projetaramumcarburadorespecialparagsde baixadensidadeenergtica.Estedispositivopermiteentreoutrascaractersticas,mantera relaoar/combustvelnecessriacomrelaoavariaesdacarga,comummnimode quedapresso.Assim,melhoradoocontroledamisturacombustveleosubseqente comportamento do motor em termos eficincia. 58 2.9ESTADO DA ARTE DOS MACI ALIMENTADOS COM GS DE GASEIFICAO DE BIOMASSA A modificao num MACI de ignio por centelha quando pretende ser usado com gs depobrepodercalorficocomaltoteordehidrognio,(comoogsdegaseificaode biomassaobtidoemleitomvelconcorrenteusandoarcomoagenteoxidante),considera principalmente o atraso no tempo de ignio a fim de atingir maiores desempenhos do motor. Porm,ascaractersticastpicasdeummotorconvencional(relaodecompressoetempo de ignio) permitiriam aceitveis comportamentos, mas com efeitos na perda de potncia. Tambm,umamaiorrelaodecompressopermitiriamaioreseficincias(talecomo mostra a termodinmica). Neste sentido, a principal modificao para motores de ignio por compresso para sua utilizao com gs combustvel considera a instalao de um sistema de ignioquepermitaodesenvolvimentodacombustonacmaradomotor.Asuposta tendncia auto-ignio (devido s altas relaes de compresso e presena de hidrognio o qualapresentabaixaenergiadeignio)foiesclarecidaporSridharetal.(2001).Asaltas concentraes de gs inerte (CO2 e N2 na faixa de 12-15% e 48-50%, respectivamente) devem atuarcomosupressoresdoefeitoknockfazendoqueogsadquiraumaltonmerode octanagememcomparaocomogsnaturalououtroscombustveis.Osresultadosde Sridhar et al. (2001), mostraram a possibilidade de fornecer gs de gaseificao de biomassa em MACI com relaes de compresso de 17:1. Tambm, e em concordncia com os autores, a FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) numa publicao referente ao tema de gaseificao (wood gas as engine fuel, 1986) ressalta que as misturas de gs pobre de gaseificao de biomassa com ar, mostram maiores nmeros de octanagem em comparao com misturas de petrleo e ar. Por outro lado, e segundo Muoz et al. (2000), a temperatura dos gases de exausto num motor de ignio por centelha alimentado comgs degaseificao de biomassa, mostra se notavelmente inferior em comparao quando utilizado combustveis convencionais como a gasolina, indicando um menor stress trmico no motor. Com relao aos resultados de rendimento operacional dos motores fornecidos com gs degaseificaodebiomassa,Ramadhasetal.(2006),emexperimentosdegeraode 59 potnciaapartirdegaseificaodebiomassa(fibradecascadecocoemadeira)nummotor de ignio por compresso de 5,5 kW nominais, obtiveram eficincias de 19,9% e 21% a 70% de carga no motor, para a fibra de casca de coco e a madeira respectivamente. A porcentagem de leo diesel substitudo foi de 72% para o gs gerado a partir de madeira, e de 30% para o gerado a partir de fibra de casca de coco, a uma carga de 70%. Bhattacharyaet al. (2001), do AIT, realizou experimentos de gaseificao de biomassa com trs estgios de fornecimento de ar, assim como de gerao de eletricidade por meio de um motor tipo Diesel (Perkins 49bhp) de 36,6 kW, sem nenhuma modificao. A mistura de aregsdebiomassafoialimentadadiretamenteaocoletordeadmisso(manifold), conseguindoumareduodeleodieselde81%.Asrevoluesdomotorforammantidas constantespormeiodumgovernadordevelocidademecnicaa1500rpm.Aeficinciado sistema gaseificador motor esteve na ordem de 11,69%. Henriksen et al. (2006), da DTU, em testes de gerao de eletricidade a partir do gs de biomassageradonumgaseificadordedoisestgios(reatoresindependentesdepirlisee gaseificao)emotordeignioporcentelhadetrscilindrosmarcaDEUTZ,obteve potncias eltricas na faixa de 15 a 20 kWe, enquanto a eficincia global do sistema reportou valores em torno a 25%. As pesquisas realizadas peloIISc (Sridhar et al.2001) na avaliao e desenvolvimento deMACIacionadoscomgsdegaseificaodebiomassaproduzidoemleitomvel concorrente,abriuaspossibilidadesdeadaptaodemotoresagscomercialmente disponveisparaobtenodeenergiaeltricaalargaescala.Nestesentidoospesquisadores afirmam que as perdas de potncias obtidas (na faixa 20 - 30%) dadas as caractersticas do gs pobre (baixa densidade energtica e baixa relao molar produtos/reagentes) so compensadas pelasreduesdasemissesdegasestxicos(NOxeSOx),emcomparaocomoutros combustveis de origem no renovvel, alm das emisses efeito estufa. MaisinformaosobreascaractersticasdeoperaodeMACIapartirdogs produzido na gaseificao de biomassa em leito mvel apresentada na Tabela 2.10. 60 Tabela 2.10. Alguns resultados da operao de motores de combusto interna a partir do gs pobre. Biomassa Tipo de motor RPMRelao de compresso Gs alimentado (%) Modificaes no motor Potncia (kW) Ponto de ignio (APMS) De-rating em potncia(a)

(%) Temperatura de exausto (C) Eficincia trmica do motor(%) Relao de equivalncia no motor Eficincia global (b) (%) Referencia Gs sinttico Otto25008,2:1100No2,3 (1)n.dn.d 634@ 2000 rpm n.dn.dn.d Muoz et al. (2000) MadeiraDiesel150011,5100 Sistema de ignio (2) 12 16 (3)35n.d360 430 C28 32 n.d21 24 (4) Shashikantha (1993) MadeiraDiesel150017:1100 Sistema de ignio (5) 2,3 (1)1020 (6)310 370 C19,05 (7)n.dn.d Ramachandra (1993) Madeira (wood chips) Dieseln.dn.d100 Sistema de ignio 15 20 (3)n.d20n.d28 (7)n.d25 (4) Henriksen et al. (2006) Casca de arroz Otto180012:1100 Modificado a gs natural 40,7 (1) 3037,38596n.d1,12n.d Muraro (2006) Casca de coco Diesel150018,5:181No11,44 (1)n.d21488,214,7 (8)n.d11,69 (4) Bhattacharya et al. (2001) 61 Tabela 2.10. Alguns resultados da operao de motores de combusto interna a partir do gs pobre (continuao). Biomassa Tipo de motor RPMRelao de compresso Gs alimentado (%) Modificaes no motor Potncia (kW) Ponto de ignio (APMS) De-rating em potncia(a)

(%) Temperatura de exausto (C) Eficincia trmica do motor(%) Relao de equivalncia no motor Eficincia global (b) (%) Referencia Madeira (causurina species)Diesel 1500 50 17:1100 Sistema de ignio 17.5 (3) 6 (MBT) 16.7 (9)n.dn.d1,05 (10)16,6 (11) Sridhar et al. (2001) Gs sinttico Dieseln.d11:1100 Sistema de ignio (12) n.d20n.dn.d18 (7)n.dn.dBarrio (2002) Gs sinttico Otton.d9:1100Non.d30n.dn.d27 (7)n.dn.d Agudelo et al. (2007 MadeiraDiesel150017,5:1 65%No 4 (1)2720 41022 (7)n.dn.dBanapurmath and Tewari (2009) 60% Sistema de ignio 45024 (7)n.dn.d (a): calculado a partir da potncia nominal do motor; (b): gaseificador e motor; (1): potncia de freio; (2): cmara de combusto re-projetada, a relao de compresso foi modificada de 17 para 11,5; (3): potncia eltrica; (4): de biomassa a eletricidade; (5): o motor pode trabalhar com diesel e em modo dual; (6): considerando uma eficincia no alternador e na transmissode80e95%respectivamente;(7):noeixo;(8):motor-gerador;(9):empotnciamecnica;(10):relaocombustvel/ar;(11):debiomassaasadadoeixo;(12):a relao de compresso foi modificada de 17 a 11,1. 62 Captulo 3 MATERIAIS E MTODOS Estecapitulotemafinalidadedeapresentarosmateriaisemtodosutilizadosna avaliaodoconjuntogaseificadordebiomassa/motoralternativodecombustointerna (MACI).AlmdasdescriesdogaseificadoreoMACI,tambmapresentadaumabreve caracterizaodabiomassa(eucalipto)edainstrumentaoutilizadanasavaliaesdesses equipamentos.Almdisso,mostra-seametodologiaseguidanostestesdegaseificaoe gerao de eletricidade a partir do motor, assim como os modelos de clculos envolvidos. 3.1DESCRICO DOS EQUIPAMENTOS Osequipamentosenvolvidosparaodesenvolvimentodopresentetrabalhoconsideram principalmenteogaseificadordeleitomveltipoconcorrenteeoMACI.Aseguirso apresentadas as caractersticas mais representativas dos equipamentos mencionados. 63 3.1.1Gaseificador de leito mvel tipo concorrente com duplo estgio de fornecimento de ar Ogaseificadorutilizadonostestesumreatordeleitomveltipoconcorrentecom duploestgiodefornecimentodearinstaladonoslaboratriosdoNEST/UNIFEI.O equipamentofoiprojetadoefabricadopelaempresaTERMOQUIPENERGIA ALTERNATIVALTDA.Oreatortemafinalidadedeproduzirgscombustvelapartirde resduosdemadeiraedeoutrosmateriaiscarbonceos,combaixoteordealcatro(iter-2) then goto 111 end if end do if (ji>iter-2) then goto 111 154 else ji=ji+1 end if end if end do vs(1)=dens vs(2)=visc vs(3)=re vs(4)=Var vs(5)=Vt vs(6)=cg vs(7)=cp if (alrt) then111 & qw=vr-vt ret = MessageBox(ghwndMain, "Maximum of iterations reached"C, & "Error"C, MB_OK) end if end subroutine calc 155 Anexo D EQUAES DO BALANO DE MASSA DO GASEIFICADOR (RESOLVIDAS EM MATHCAD) Equao de balano molar de carbono (1)X1 A X3 a1 a3 + X4 + ( ) X7 +Equao de balano molar de Hidrognio (2)X1 B 2 bb + X3 2 a2 4 a3 + 2 X6 + ( ) Equao de balano molar de Oxignio (3)X1 C 2 X2 + bb + X3 a1 2 X4 + X6 + ( ) Equao de balano molar de Nitrognio (4)X1 D 7.52 X2 + 2 X3 X5 Equao dos produtos (5)1 a1 a2 + a3 + X4 + X5 + X6 +Equao que relaa os inquemados (6)X7 0.1 X1 Mwb12 A B + C + D + ( ) 156 De (1) despejamos "X3"X3X1 A X7 ( )a1 a3 + X4 + ( )Substituindo "X3" em (4) achamos (7)X1 D 7.52 X2 + 2 X3 X5 X1 D 7.52 X2 + 2X1 A X7 ( )a1 a3 + X4 + ( ) X5 EQUAO (7):X5 EM FUNO DE X1, X4 e X7X5 2.0 10-225. X1 D a1 25. X1 D a3 + 25. X1 D X4 + 188. X2 a1 + 188. X2 a3 + 188. X2 X4 + ( )X1 A 1. X7 ( )Substituindo "X3" em (2) achamos "X6" em funo de "X1" e "X4"e achamos (8) X1 B 2 bb + X3 2 a2 4 a3 + 2 X6 + ( ) X1 B 2 bb +X1 A X7 ( )a1 a3 + X4 + ( )2 a2 4 a3 + 2 X6 + ( ) EQUAO (8): X6 EM FUNO DE X1, X4 e X7X612X1 B a1 X1 B a3 + X1 B X4 + 2 bb a1 + 2 bb a3 + 2 bb X4 2 X1 A a2 4 X1 A a3 + 2 X7 a2 + 4 X7 a3 + ( )X1 A X7 ( )Substituindo "X3" e "X6" em (3) achamos "X4" em funo de "X1" e achamos (9) X1 C 2 X2 + bb + X3 a1 2 X4 + X6 + ( ) X1 C 2 X2 + bb +X1 A X7 ( )a1 a3 + X4 + ( )a1 2 X4 +12X1 B a1 X1 B a3 + X1 B X4 + 2 bb a1 + 2 bb a3 + 2 bb X4 2 X1 A a2 4 X1 A a3 + 2 X7 a2 + 4 X7 a3 + ( )X1 A X7 ( ) +

(( 157 X42 X1 C a1 2 X1 C a3 4 X2 a1 4 X2 a3 2 a1 X1 A 2 a1 X7 + X1 B a1 + X1 B a3 2 X1 A a2 4 X1 A a3 + 2 X7 a2 + 4 X7 a3 + ( ) 2 X1 C 4 X2 4 X1 A 4 X7 + X1 B + ( )EQUAO (9):X4 EM FUNO DE X1 e X7Substituindo (9) em (7), achamos (10): "X5" em funo de "X1 e X7"7 ( )X5 2.0 10-225. X1 D a1 25. X1 D a3 + 25. X1 D X4 + 188. X2 a1 + 188. X2 a3 + 188. X2 X4 + ( )X1 A 1. X7 ( )EQUAO (10):X5 EM FUNO DE X1 e X7X5 4.0 10-2188. a2 X2 752. X2 a3 + 188. X2 a1 + 25. a2 X1 D + 25. X1 D a1 + 100. X1 D a3 + ( )2. X1 C 4. X2 4. X1 A 4. X7 + X1 B + ( )Substituindo (9) em (8), achamos (11): "X6" em funo de "X1 e X7"8 ( )X612X1 B a1 X1 B a3 + X1 B X4 + 2 bb a1 + 2 bb a3 + 2 bb X4 2 X1 A a2 4 X1 A a3 + 2 X7 a2 + 4 X7 a3 + ( )X1 A X7 ( )X68 X1 A a3 4 X1 A a2 4 X1 C a3 + 2 X1 B a3 + 2 X1 a2 C + X1 B a1 + 2 bb a1 + 8 bb a3 + 2 a2 bb + 4 X7 a2 + 4 a2 X2 + 8 X2 a3 + 8 X7 a3 + ( )2 X1 C 4 X2 4 X1 A 4 X7 + X1 B + ( )EQUAO (11):X6 EM FUNO DE X1 e X7Substituindo "X4", "X5", "X6" na equao dos produtos (5), achamos "X1" (12) em funo de "X7"1 a1 a2 + a3 + X4 + X5 + X6 + 158 X1 8.0 10-2 25. a1 X7 25. a2 bb 25. X7 a2 + 25. bb a1 + 100. bb a3 + 94. X2 a1 + 476. X2 a3 + 50. X7 + 50. X2 + 94. a2 X2 + ( )2. B a3 1. B B a1 + 2. A a2 + 4. D a3 + 2. a1 A + D a1 + a2 B + 4. C a3 + 2. C 4. A + a2 D + ( )Alm disso, X7" em funo de "X1":X7 0.1 X1 Mwb12 A B + C + D + ( ) Assumindo "10%" em massa, de inqueimados Tambm, introduzindo a umidade da biomassa "bb" bbMwb A B + C + D + ( ) X1 u 18Considerandodd A B + C + D + ( ) a1 a2 + 4 a3 + ( ) cc X2 A B + C + D + ( ) 2256 a1 a2 + ( ) 11424a3 + 1200 + [ ] AA A2180360 a1 a2 + ( ) 360720 [ ] B290180 a1 a2 + 1 ( ) 180360a3 + [ ] + C2360720a3 180360 + ( ) + D290180 a1 a2 + ( ) 360720a3 + [ ] +BB Mwb 3006 1503a1 1503a2 10000u dd A B + C + D + ( ) + [ ] CC A 180360 c a1 a2 + 1 ( ) a3 B + [ ] 270540 D a1 a2 + ( ) B a2 a1 ( ) + [ ] + 360720 D a3 1 ( ) a3 C + [ ] + 450900B [ ] DD B 180360D a2 a1 + ( ) 90180 C a1 a2 + 1 + ( ) D [ ] + 541080a3 C D + ( ) + [ ] EE C D 90180 a2 a1 + ( ) 721440a3 + 180360 + [ ] EQUAO (11)X1 EM FUNO DA UMIDADE DA BIOMASSA (bb)X1 300.60 ccAA BB + CC + DD + EE + ( ) 159 Anexo E TRATAMENTO DO ERRO NAS MEDIES DE CONCENTRAO DE CO, CH4 E H2, E DE TEMPERATURAOsvaloresdeconcentraodeCO,CH4eH2,almdosvaloresdetemperaturaao longo do reator, para cada condio experimental, foram tratados segundo a teoria clssica de erro,determinandoseuvalormdio,odesviopadroeoerroabsolutoenvolvidocomose mostra a seguir: A partir do numero de amostras consideradas, procede se obteno do valor de tendncia central (media de cada concentrao): ==niinxx1(E1) Determinao do desvio padro: ( )==niinx x121 (E2) 160 Determinao do erro absoluto: nx= (E3) Segundooprocedimentoanterior,paracadacondioexperimental,possvel expressar as concentraes de CO, CH4 e H2 em funo do erro absoluto: A propagao do erro envolvido nas concentraes de CO, CH4 e H2, para o clculo do poder calorfico do gs, obteve se segundo as derivadas parciais da funo, como se mostra a seguir: 2 42 4HgCHgCOggxHPCIxCHPCIxCOPCIPCI |||

\|+ |||

\|+ |||

\|= (E4) =COgPCICOPCI (E5) =44CHgPCICHPCI(E6) =22HgPCIHPCI(E7) 161 Anexo F PERFIS DE TEMPERATURA E CONCENTRAO DOS TESTES EXPERIMENTAIS 162 Perfil de TemperaturasTeste A1: Va = 16 Nm3/h -- Ra = 0%010020030040050060070080090014:0914:3114:5215:1415:3615:5716:1916:4017:02HoraTemperatura (C)T1T2T3T4T5T6T9Regime permanente Figura F1. Perfil de Temperatura Teste A1. 163 Perfil de ConcentraesTeste A1: Va = 16 Nm3/h -- Ra = 0%02468101214161820222415:0715:2115:3615:5016:0416:1916:3316:4817:02HoraConcentrao (%v)COCH4H2Regime permanente Figura F2. Perfil de Concentraes Teste A1. 164 Perfil de TemperaturasTeste A2: Va = 18 Nm3/h -- Ra = 0%010020030040050060070080090014:2414:4515:0715:2815:5016:1216:3316:55HoraTemperatura (C)T1T2T3T4T5T6T9Regime permanente Figura F3. Perfil de Temperatura Teste A2. 165 Perfil de ConcentraesTeste A2: Va = 18 Nm3/h -- Ra = 0%02468101214161820222415:0715:2115:3615:5016:0416:1916:3316:4817:02HoraConcentrao (%v)COCH4H2Regime permanente Figura F4. Perfil de Concentraes Teste A2. 166 Perfil de TemperaturasTeste A3: Va = 20 Nm3/h -- Ra = 0%010020030040050060070080090017:0917:2417:3817:5218:0718:2118:3618:5019:0419:19HoraTemperatura (C)T1T2T3T4T5T6T9Regime permanente Figura F5. Perfil de Temperatura Teste A3. 167 Perfil de ConcentraesTeste A3: Va = 20 Nm3/h -- Ra = 0%02468101214161820222417:4518:0018:1418:2818:4318:5719:12HoraConcentrao (%v)COCH4H2Regime permanente Figura F6. Perfil de Concentraes Teste A3. 168 Perfil de TemperaturasTeste A4: Va = 22 Nm3/h -- Ra = 0%010020030040050060070080090016:3616:5017:0517:1917:3417:4818:0218:1718:31HoraTemperatura (C)T1T2T3T