V´arios processos podem ser usados pra se converter termicamente biomassa em energia, combust´ıvel ou gases desej´aveis. Entre eles: combust˜ao, gaseifica¸c˜ao e pir´olise.
2.2.1
Combust˜ao direta
A queima de biomassa para obter calor ´e o processo de convers˜ao t´ermica mais antigo e conhecido, a combust˜ao. Al´em de energia, a rea¸c˜ao de queima gera ´agua e di´oxido de carbono. Desde 1900, a maioria das sociedades industrializadas utilizam a queima de biomassa para produzir calor; cozinhar; na produ¸c˜ao qu´ımica e de carv˜ao; e na gera¸c˜ao de vapor, energias mecˆanica e el´etrica. Sabe-se que o processo de combust˜ao ´e a tecnologia dominante para se produzir calor ou combust´ıvel; cerca de 95% da energia proveniente de biomassa, utilizada hoje, ´e originada da combust˜ao direta (KLASS, 1998). O pro- duto ´e calor, que deve ser imediatamente utilizado para aquecimento ou gera¸c˜ao de for¸ca (BRIDGWATER et al., 2001).
A combust˜ao de biomassa consiste na oxida¸c˜ao r´apida. Nesse processo, geralmente se usa ar em excesso pra garantir a combust˜ao completa. A temperatura de combust˜ao depende do tempo de rea¸c˜ao, da intensidade da combust˜ao, da velocidade de queima e da energia transferida para as vizinhan¸cas (KLASS, 1998).
No processo de combust˜ao, primeiramente, o aumento de temperatura vaporiza a ´agua presente na biomassa, isso ocorre entre 150 e 200 oC, ent˜ao a decomposi¸c˜ao e
a volatiliza¸c˜ao dos compostos orgˆanicos s˜ao iniciadas na superf´ıcie da biomassa, e os compostos orgˆanicos vol´ateis queimam na cˆamara de combust˜ao. Os outros componentes carbonados s˜ao queimados pela difus˜ao do oxigˆenio na superf´ıcie do s´olido, o que ocorre
entre 400 e 800oC; essa faixa de temperatura ´e atingida pela absor¸c˜ao de energia radiante
da combust˜ao dos produtos e da superf´ıcie da cˆamara do reator. O uso de ar pr´e-aquecido permite que a temperatura atinja 1500 oC no processo de combust˜ao de biomassa seca
(KLASS, 1998).
A combust˜ao incompleta da biomassa pode originar excesso de emiss˜ao de parti- culados e a forma¸c˜ao de compostos t´oxicos como di´oxido de enxofre (SO2), tri´oxido de
enxofre (SO3), ´oxido n´ıtrico (NO) e di´oxido de nitrogˆenio (NO2). A forma¸c˜ao de ´oxidos de
nitrogˆenio ocorre porque a fonte de oxigˆenio utilizada ´e o ar, e assim converte-se tamb´em nitrogˆenio.
A quantidade de ´agua na biomassa pode impedir a combust˜ao auto sustentada, fazendo-se necess´ario o uso de algum combust´ıvel complementar. Al´em disso, altos teores de umidade podem causar combust˜ao incompleta, baixas eficiˆencias t´ermicas, excesso de particulados e a forma¸c˜ao de produtos indesej´aveis. Assim, biomassa de baixa umidade ´e preferida no processo de combust˜ao. Outro fator determinante na combust˜ao ´e o tamanho das part´ıculas e a distribui¸c˜ao granulom´etrica, em geral, quanto menor as part´ıculas, mais r´apida e completa ´e a combust˜ao (KLASS, 1998).
Na combust˜ao de biomassa convencional, o processo ocorre em grades de a¸co, horizontais ou inclinadas. A grade pode ser uma plataforma estacion´aria, vibrat´oria ou m´ovel, e o combust´ıvel ´e fornecido por batelada, em um processo semi cont´ınuo ou cont´ınuo.
Alguns modelos de fornos usados s˜ao: leitos fixos ou circulantes; lareiras m´ultiplas; fornos fixos, horizontais com rota¸c˜ao ou inclinados; de alimenta¸c˜ao inferior ou superior; com espalhamento de combust´ıvel ou pulveriza¸c˜ao do mesmo. A diferen¸ca entre combus- tores de s´olidos e de l´ıquidos ou gases, ´e que os de s´olidos devem permitir um tempo extra para queima de carv˜ao ap´os a queima de compostos vol´ateis (KLASS, 1998). A Figura 2.2
apresenta dois reatores para combust˜ao, de leito fixo e de leito circulante.
Combustores podem ser usados em v´arios processos: em residˆencias para queima de pequenos peda¸cos de madeira e seus derivados, nesse caso usa-se pequenos fornos com capacidade de aproximadamente 20kg de biomassa; como incineradores de lixo s´olido, que podem processar de 50 a 4000t/dia de biomassa; para produ¸c˜ao de energia el´etrica; para incinera¸c˜ao de efluentes municipais, pneus automotivos e outros materiais (KLASS, 1998).
Figura 2.2: Esquemas de reatores para combust˜ao: (a) leito fixo, (b) leito circulante; adaptado de Mahallawy e Habik (2002).
2.2.2
Gaseifica¸c˜ao
Segundo Klass (1998), a gaseifica¸c˜ao da biomassa produz gases com baixos ou m´edios poderes energ´eticos, gases de s´ıntese ou hidrogˆenio. Esse processo envolve a decomposi¸c˜ao de hidrocarbonetos pela depolimeriza¸c˜ao e desidrata¸c˜ao, seguidos de rea¸c˜oes de carbono e vapor. A biomassa ´e um material mais reativo que o carv˜ao, portanto a gaseifica¸c˜ao da biomassa gera produtos mais reativos que a do carv˜ao.
Existem trˆes tipos de gaseifica¸c˜ao: pir´olise, que ocorre quando a temperatura ´e suficiente para converter a biomassa em vapores; oxida¸c˜ao parcial, que utiliza quantidades menores de oxigˆenio do que as estequiom´etricas, formando assim produtos parcialmente oxidados; reforming, que ´e a convers˜ao de gases hidrocarbonados e compostos orgˆanicos vaporizados em gases que cont´em hidrogˆenio e mon´oxido de carbono.
Gases sint´eticos podem ser produzidos atrav´es de gases naturais na presen¸ca de vapor (steam reforming). No caso da biomassa, o termo reforming ´e usado para gasei- fica¸c˜ao na presen¸ca de outros reagentes, como vapor, vapor e oxigˆenio ou vapor e ar. Os processos que utilizam vapor envolvem rea¸c˜oes com a biomassa e tamb´em rea¸c˜oes do va- por com produtos secund´arios formados a partir da biomassa. A gaseifica¸c˜ao com vapor e oxigˆenio ou vapor e ar, envolve a combust˜ao do carv˜ao residual, de uma por¸c˜ao dos gases formados e uma por¸c˜ao da biomassa, para fornecer calor. O processo pode ocorrer na presen¸ca ou na ausˆencia de catalisadores (KLASS, 1998).
As concentra¸c˜oes termodinˆamicas de equil´ıbrio de gases espec´ıficos, dependem das quantidades de carbono, hidrogˆenio e oxigˆenio, da temperatura e da press˜ao. Press˜oes
mais altas favorecem a forma¸c˜ao de metano e di´oxido de carbono, e diminuem a forma¸c˜ao de hidrogˆenio e mon´oxido de carbono; temperaturas baixas tamb´em favorecem a forma¸c˜ao de metano; hidrogˆenio e mon´oxido de carbono s˜ao dominantes em temperaturas altas (KLASS, 1998).
Em temperaturas altas e moderadas ocorre a volatiliza¸c˜ao de componentes da biomassa, e os vol´ateis orgˆanicos s˜ao rapidamente convertidos em produtos gasosos. O carv˜ao originado na gaseifica¸c˜ao da biomassa apresenta, geralmente, alta reatividade e se torna gasoso de forma r´apida. A gaseifica¸c˜ao da biomassa tem in´ıcio em temperaturas entre 300 e 375oC. Produtos indesej´aveis da gaseifica¸c˜ao incluem particulados, metais
alcalinos e pesados, ´oleos, alcatr˜ao e condensados aquosos (KLASS, 1998).
Basicamente, os equipamentos para gaseifica¸c˜ao s˜ao: leito descendente de bio- massa, geralmente um leito fixo ou m´ovel, com escoamento ascendente de g´as; leito de biomassa descendente com escoamento de g´as tamb´em descendente; leito fluidizado de biomassa com g´as ascendente (BROWN, 2009). Esses trˆes tipos de reatores est˜ao esque- matizados na Figura 2.3.
Figura 2.3: Alguns reatores empregados para gaseifica¸c˜ao, adaptado de Brown (2009).
A umidade presente na biomassa ´e fator importante para a gaseifica¸c˜ao, j´a que quanto menor a umidade do material, maiores a eficiˆencia t´ermica, o poder calor´ıfico dos produtos, o rendimento do g´as seco, e a propor¸c˜ao de componentes combust´ıveis no g´as seco. Assim, a secagem ´e essencial para alguns tipos de biomassa a serem gaseificadas (KLASS, 1998).
Os materiais mais adequados para gaseifica¸c˜ao s˜ao os que n˜ao cont´em nitrogˆenio, enxofre e cloro; para evitar a forma¸c˜ao de poluentes indesej´aveis e ´acidos que causam
corros˜ao. Materiais pobres em elementos minerais, s˜ao adequados para gaseifica¸c˜ao j´a que geram baixa quantidade de cinzas. A forma¸c˜ao de cinzas, especialmente as originadas de s´odio ou pot´assio, podem causar incrustra¸c˜oes nas superf´ıcies de troca de calor, e eros˜ao nas lˆaminas das turbinas. Al´em de emiss˜oes indesej´aveis, o enxofre pode formar compostos que desativam a s´ıntese do metanol, e o cloro formar ´acidos t´oxicos.
A pir´olise se distingue da combust˜ao e da gaseifica¸c˜ao por ser um processo que busca produzir combust´ıveis l´ıquidos, que podem substituir os combust´ıveis atuais para aquecimento ou gera¸c˜ao de eletricidade. O l´ıquido pirol´ıtico tamb´em pode ser empregado para produ¸c˜ao de materiais qu´ımicos espec´ıficos (BRIDGWATER et al., 2001). O processo
de pir´olise ´e destacado na pr´oxima se¸c˜ao.