Fatores que Influenciam a Decomposição Térmica da Biomassa através

Na análise da decomposição térmica deve-se levar em consideração que o comportamento das biomassas depende principalmente da sua composição e estrutura. Além disso, as condições nas quais ocorre o processo, como: temperatura, taxa de aquecimento, pressão, tamanho da partícula, atmosfera gasosa e presença de cinzas e minerais, podem influenciar no comportamento de decomposição da biomassa (FISHER et al., 2002).

2.5.1.1 Influência da Atmosfera Gasosa

A atmosfera gasosa empregada no sistema pode ter impacto significativo no comportamento da decomposição térmica da biomassa (WHITE et al., 2011).

Normalmente, observa-se que as atmosferas gasosas mais empregadas na termogravimetria são inertes e oxidantes. Os gases mais utilizados para atmosfera inerte são: nitrogênio (N2) e hélio (He), e para os meios oxidantes são: oxigênio (O2) e vapor d’água (BARONI, 2015).

Fang et al. (2006) estudaram a decomposição térmica da madeira em atmosferas com diferentes concentrações de oxigênio (6, 10, 15, 18, 21, 30, 40, 50, 65, 70, 80 e 100%), utilizando taxas de aquecimento de 15 e 40 °C/min. Os autores observaram que o aumento da concentração de oxigênio, levou a um aumento do valor máximo da curva DTG (máxima taxa de perda de massa) da amostra e um menor tempo consumido para atingir este valor sob concentrações maiores de oxigênio. Os autores atribuíram isso à menor força na camada de fusão causada pela presença de oxigênio, o que provoca a liberação mais rápida dos voláteis.

Fateh et al. (2013) compararam a decomposição térmica de madeira compensada em atmosfera inerte (nitrogênio) e oxidante (ar), utilizando taxas de aquecimento de 5, 10, 15, 20, 30, 40 e 50 °C/min. No estudo foi observado que a decomposição térmica em atmosfera inerte é caracterizada por três etapas: liberação de umidade, volatilização e formação de material carbonoso. Na presença de ar observou-se a presença de uma reação a mais, equivalente à oxidação do material carbonoso. A massa de resíduo remanescente também é dependente da atmosfera, sendo observado maior teor de resíduos em atmosferas inertes.

Em estudo realizado por Rueda-Ordóñez e Tannous (2016) para a decomposição da palha de cana de 510 m em meio inerte (nitrogênio) e oxidante (ar sintético), considerando taxas de aquecimento de 2,5, 5 e 10 °C/min (Figura 2.11), observou-se que a decomposição térmica (até 400 ºC) em meio oxidante ocorria em faixas de temperaturas menores (20 °C a 30 °C) que em meio inerte (N2). Também foi observado que acima de 600 °C não ocorria mais reação em atmosfera oxidante, ao contrário do meio inerte, onde o material carbonoso ainda reagia acima de 600 °C.

Figura 2.11 - (a) TG normalizada e (b) DTG normalizada para palha de cana (510 µm) em diferentes atmosferas

Fonte: Adaptado de Rueda-Ordóñez e Tannous (2016)

2.5.1.2 Influência da Taxa de Aquecimento

A técnica da termogravimetria pode ser realizada de três formas: isotérmica, parcialmente isotérmica e não-isotérmica. A análise dinâmica (não-isotérmica) apresenta vantagem sobre os outros métodos, pois as análises isotérmicas apresentam uma rampa de aquecimento no início do experimento, além disso no caso de processos que envolvem reações exotérmicas é difícil manter a temperatura constante (CARVALHO et al., 2015). Para obter uma melhor transferência de calor e massa e garantir que estes não influenciem a cinética da decomposição são indicadas na literatura taxas de aquecimento menores que 20 °C/min e a utilização de no mínimo três taxas de aquecimento (VYAZOVKIN et al., 2011).

Mani et al. (2010) estudaram o efeito da taxa de aquecimento (5, 10, 15 e 20 °C/min) em meio inerte (N2) da palha de trigo (250 µm a 1350 µm). Os autores

observaram que as baixas taxas de aquecimento levam ao aquecimento mais lento da biomassa, conduzindo a uma melhor e mais eficaz transferência de calor para as regiões mais internas e entre as partículas, ocasionando mais reações e por consequência, maior liberação de voláteis e redução na formação de resíduos (cinzas).

Considerando reações em meio oxidante, Rueda-Ordóñez e Tannous (2016) avaliaram o efeito de diferentes taxas de aquecimento (2,5, 5 e 10 °C/min) na decomposição térmica da palha de cana de 510 m. De acordo com os resultados apresentados na Figura 2.11, observou-se que as curvas TG apresentaram diferenças pouco significativas para as diferentes taxas de aquecimento estudadas. Além disso, na curva DTG foi observado que o aumento da taxa de aquecimento provocou o aumento das máximas taxas de perda de massa e suas respectivas temperaturas. Este comportamento ocorre devido aos diferentes tempos de reação, quanto menores as taxas de aquecimento maior o tempo de reação.

2.5.1.3 Influência do Tamanho da Partícula

O tamanho da partícula apresenta grande influência nos processos de transferência de calor e massa do combustível, sendo, portanto, um importante parâmetro a ser controlado (NEVES et al., 2011). Para obter aquecimentos rápidos e evitar gradientes de temperaturas entre a superfície e o centro da partícula é apropriado trabalhar com partículas pequenas (VAN DE VELDEN et al., 2010).

Baroni (2015) avaliou a influência do tamanho da partícula na decomposição térmica do endocarpo do fruto do tucumã, considerando os diâmetros de 128,04 µm, 250,65 µm e 499,55 µm, com taxa de aquecimento de 10°C/min em atmosfera inerte. O autor analisou seus dados em conjunto com os resultados obtidos por Nascimento (2012) para partículas de 499,41 µm, 994,5 µm e 2018,8 µm, considerando a mesma taxa de aquecimento. No trabalho foi observado que os diâmetros de 128,04 µm e 250,65 µm apresentaram curvas TG idênticas e as curvas DTG foram bastante similares, indicando a minimização dos efeitos de transferência de calor e massa nas condições analisadas. Para partículas de diâmetro de 994,5 µm e 2018,8 µm observou-se uma variação mássica percentual de 9%, entre 500 °C e 900 °C, porém para as partículas menores (128,04 µm, 250,65 µm e 499,55 µm), a variação mássica percentual foi de aproximadamente 18%. A menor variação observada para as partículas de maior diâmetro é um indicativo da maior influência das limitações às transferências de calor e massa na amostra. Além disso,

observou-se uma variação no teor de resíduos finais para os diâmetros de 994,5 µm e 2018,8 µm em relação aos outros diâmetros, podendo haver a ocorrência de reações incompletas na decomposição decorrente das mudanças nas propriedades da biomassa.

Rueda-Ordóñez e Tannous (2016) avaliaram o efeito do tamanho da partícula na decomposição térmica da palha de cana em meio oxidante (ar sintético). Na análise foram consideradas partículas de 250 µm, 510 µm e 1010 µm e taxa de aquecimento de 10 °C/min, onde não se observou diferença significativa entre as perdas de massa entre 100- 500 °C.

2.5.2 Temperaturas Características da Combustão obtidas através da