4 Controlo, valorização e impacte das características da biomassa florestal
4.3 Processos de conversão termoquímica da biomassa florestal
A valorização energética da biomassa florestal continua em franco progresso na Europa, principalmente nas regiões Norte e Centro, havendo um desenvolvimento de tecnologias mais sofisticadas e inovadoras. As tecnologias de conversão termoquímica são responsáveis pela transformação da energia química contida na biomassa em energia eléctrica e térmica. Os processos mais utilizados na indústria produtora de energia são a pirólise, combustão e
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gaseificação, sendo a combustão o processo mais comum em centrais termoeléctricas, incineração de RSU e em fornos e lareiras residenciais.
A pirólise é definida como uma degradação térmica (desvolatização) numa atmosfera redutora, ou seja, na ausência de agente oxidante externo. Este processo depende fortemente da taxa de aquecimento para libertação dos voláteis e da decomposição da celulose, hemicelulose e lenhina presente na biomassa. A qualidade do combustível, temperatura, taxa de aquecimento, pressão e tempo de reacção são variáveis que influenciam a pirólise e por conseguinte, os produtos sólidos, líquidos e gasosos (Staiss e Pereira, 2001; Van Loo e Koppejan, 2003).
Os produtos resultantes são o carvão vegetal, o alcatrão e gases de baixo peso molecular
(CO, CO2, H2, CH4, C2H6), podendo ser valorizados de diversas formas. O carvão é utilizado
como carbono activado na indústria metalúrgica ou na queima doméstica, por outro lado, o gás formado pode ser usado na produção de energia eléctrica e térmica ou sintetizado para produção de metanol ou amónia. O alcatrão, com poder calorífico de 20 a 22 MJ/L, é normalmente aproveitado para a produção de combustíveis de alta qualidade para aplicação em motores de combustão ou directamente utilizado para produção de energia através da queima em caldeira (Van Loo e Koppejan, 2003; Rosillo-Calle et al., 2007).
A gaseificação é actualmente o processo mais promissor na conversão da biomassa em combustíveis gasosos limpos e em gás de síntese. Este processo consiste na combustão incompleta da biomassa, em que a quantidade do agente oxidante (ar, oxigénio, vapor de água ou CO2) é inferior à necessidade estequiométrica. O gás de síntese é constituído sobretudo por H2 e CO (Demirbas, 2007). Contudo, o gás produzido na gaseificação também
contém, dependendo do agente oxidante e do combustível utilizado, CO2, H2O, CH4 e outros
hidrocarbonetos leves. Se o ar for o agente oxidante utilizado, então o gás resultante da
gaseificação apresenta baixo poder calorífico superior (PCS de 4 a 7 MJ/Nm3 bs), caso o
agente seja o oxigénio puro, o gás obtido no processo expressa um PCS na ordem de 10 a
18 MJ/Nm3 bs (Van Loo e Koppejan, 2003).
O gás de síntese pode ser valorizado na produção de metanol para queima em motores diesel ou para produção de energia através de turbina a gás ou pela combustão em caldeira e posterior produção de água quente ou vapor de água. Caso o gás resultante da gaseificação da biomassa for previamente limpo, removendo as partículas de carvão, cinza e compostos alcalinos, este pode ser aproveitado, de forma directa, em centrais de ciclo combinado (Demirbas, 2007). As centrais de ciclo combinado conjugam dois tipos de turbina, a turbina a
gás e turbina a vapor. O gás a elevada temperatura passa primeiro pela turbina a gás e depois aquece a água, permitindo produzir vapor de água que irá passar na turbina a vapor. A gaseificação ainda está numa fase pré-comercial, mas apresenta benefícios relativamente ao sistema de combustão completa, como o aumento da eficiência das centrais para valores superiores a 40%, a flexibilidade na utilização em caldeiras e turbinas a gás, a redução do esforço e custos relacionados com a logística (mais fácil de transportar). Apesar destas oportunidades emergentes, a tecnologia de gaseificação é muito cara e exige pessoal técnico altamente qualificado para a sua operação e manutenção (Rosillo-Calle et al., 2007).
A combustão é o processo mais convencional e tradicional na história da actividade industrial, caracterizando-se pela queima da biomassa a altas temperaturas (800-1000 ºC, dependendo do teor de humidade da biomassa) e na presença de um agente oxidante (oxigénio ou ar) em excesso em relação à necessidade estequiométrica, garantindo condições óptimas para a combustão completa do biocombustível (Netto, 2008).
A sequência de fases do processo de combustão é estabelecida da seguinte forma: secagem, pirólise, gaseificação e por fim, a combustão completa. A secagem, a temperatura inferior a 100 ºC, é útil na redução do teor de humidade da biomassa. Apesar disto, alguns problemas operacionais e técnicos poderão colocar em causa a completa combustão do material. Estes problemas, na sua maioria, estão relacionados com o reduzido tempo de residência da biomassa na grelha da fornalha, a temperatura de combustão baixa ou uma mistura deficiente do combustível com o oxigénio (ou ar) primário que é injectado na câmara de combustão (Matos, 2008). O fenómeno relatado é preocupante no sentido de que origina emissões de inqueimados gasosos (CO, dioxinas, partículas, hidrocarbonetos, entre outros) e sólidos (resíduo carbonoso). Este assunto será mais desenvolvido no subcapítulo seguinte.
Nos sistemas de combustão, a conversão da biomassa em calor tem uma eficiência de 85 a 90%, enquanto a eficiência de produção de energia eléctrica nas centrais é de 17 a 25% (Rosillo-Calle et al., 2007). Por esta razão, a cogeração é uma oportunidade emergente que permite aumentar a eficiência das centrais termoeléctricas até 90%. Este processo aproveita tanto o calor residual como a energia eléctrica, produzidos a partir da conversão da biomassa florestal. O calor residual é recuperado e distribuído para as populações que se encontram na proximidade da central, para aquecimento de edifícios, e a energia eléctrica produzida é fornecida à rede eléctrica nacional.
Outro processo é a liquidificação, a baixas temperaturas e alta pressão, que inclui a pirólise e a síntese do metanol. Neste processo, o líquido produzido possui um elevado poder calorífico e um baixo teor de oxigénio, comparativamente com o alcatrão produzido na pirólise (Staiss e
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Pereira, 2001). A síntese do metanol provém do gás de síntese da pirólise (CO e H2), tendo diversas aplicações como foram referidas anteriormente.
As novas políticas de combate às alterações climáticas, com a mitigação de GEE, assentam também na promoção da utilização da biomassa em processos de co-combustão em centrais termoeléctricas a carvão. Este processo tem vantagens como a redução dos custos de investimento por unidade de energia produzida (não há necessidade de investir na aquisição de outra tecnologia), a obtenção de eficiências superiores às centrais dedicadas e a mitigação
das emissões de CO2, NOx e SO2 provenientes da queima do carvão (Rosillo-Calle et al.,
2007).
Em súmula, a eficiência dos processos de conversão da biomassa em energia eléctrica e térmica dependem grandemente do tipo e qualidade da biomassa. Por isso, as centrais termoeléctricas devem necessariamente escolher a tecnologia que melhor se adapte à qualidade do biocombustível, prevenindo assim, problemas futuros ao nível dos equipamentos de conversão e de tratamento do efluente gasoso.