Biomassa: como calcular e saber o poder calorífico de queima?

Biomassa: como calcular e saber o poder calorífico de queima?

Biomassa - 04/06/2024

A alta demanda por energia e, especialmente, por energias renováveis, tem levado as indústrias a buscar fontes que, até recentemente, não eram consideradas opções viáveis. Esse cenário é impulsionado por preocupações ambientais, a necessidade de diversificação das matrizes energéticas e a busca por sustentabilidade.

Nesse contexto, o uso de biomassa para fins energéticos tem se destacado, apresentando um crescimento constante ano após ano. Esse aumento do uso de biomassa traz consigo a necessidade de avaliar o potencial energético de diferentes tipos de biomassa, a fim de otimizar seu uso e eficiência.

Potencial energético da biomassa

O potencial energético da biomassa é determinado por diversos fatores, sendo os dois principais o tipo de biomassa e seu teor de umidade. A biomassa pode ser classificada de diversas formas, tais como resíduos agrícolas, florestais, industriais e até urbanos. Cada tipo possui características específicas que influenciam diretamente sua capacidade de gerar energia.

O teor de umidade, por sua vez, é crucial porque a água presente na biomassa absorve parte da energia durante a combustão, diminuindo o rendimento energético. Por isso, a biomassa com menor teor de umidade é preferida para fins energéticos.

Além desses dois fatores principais, outros aspectos também influenciam no potencial energético da biomassa. Entre esses, destacam-se o teor de cinzas e a granulometria do material. O teor de cinzas refere-se à quantidade de resíduos sólidos não combustíveis que permanecem após a combustão, podendo afetar a eficiência energética e o manejo dos resíduos.

A granulometria, que diz respeito ao tamanho das partículas da biomassa, pode influenciar a eficiência da combustão e o design dos sistemas de queima de caldeiras, por exemplo.

Como calcular o poder calorífico do material

A capacidade de gerar energia de uma biomassa é frequentemente quantificada pelo seu PCS – Poder Calorífico Superior. O PCS representa a quantidade de energia que um material pode fornecer quando completamente seco, ou seja, com 0% de umidade. Esse valor é crucial para a comparação e seleção de diferentes tipos de biomassa para fins energéticos. Abaixo, são apresentados exemplos de PCS para alguns materiais comuns no mercado brasileiro:

  • Eucalipto sp: 4.525 kcal/kg
  • Pinus sp: 4.790 kcal/kg
  • Bagaço de cana: 3.700 kcal/kg
  • Casca de arroz: 3.786 kcal/kg
  • Casca de coco: 4.000 kcal/kg

Esses valores ilustram a variabilidade do potencial energético entre diferentes tipos de biomassa, ressaltando a importância da escolha adequada do material conforme as necessidades energéticas específicas.

O eucalipto, por exemplo, é amplamente utilizado devido ao seu alto PCS, enquanto o bagaço de cana é uma opção valiosa no setor sucroalcooleiro, aproveitando resíduos do processo de produção de açúcar e etanol. A análise detalhada desses valores é essencial para a otimização do uso da biomassa como fonte de energia renovável, contribuindo para a sustentabilidade e a eficiência energética das indústrias.

O gráfico abaixo mostra o comportamento do poder calorífico em função do teor de umidade do material:


Vamos ilustrar o impacto do teor de umidade no poder calorífico da biomassa. Considere a tabela anterior, agora ajustada para um teor de umidade de 40%:

  • Eucalipto sp: 2.287 kcal/kg
  • Pinus sp: 2.442 kcal/kg
  • Bagaço de cana: 1.808 kcal/kg
  • Casca de arroz: 1.859 kcal/kg

Para que a biomassa entre em combustão, é necessário eliminar todo o conteúdo de água presente. A umidade precisa ser evaporada antes que o material possa queimar completamente, o que significa que parte da energia gerada na combustão inicial é consumida para secar o restante da biomassa. Este é um fator crucial para a eficiência energética, pois um alto teor de umidade reduz significativamente o rendimento energético.

Além da água presente inicialmente na biomassa, há também água formada durante a combustão devido à decomposição de compostos que contêm hidrogênio. Em geral, a biomassa possui cerca de 6% de hidrogênio. Este valor é importante pois influencia na quantidade de água adicional que se forma durante a queima.

Métodos de como calcular o poder calorífico útil da biomassa

Com estas considerações, podemos calcular o PCU – Poder Calorífico Útil. O PCU é afetado pelo teor de umidade e pelo teor de hidrogênio na biomassa. Para determinar o teor de umidade e, subsequentemente, o PCU de um material, são utilizadas duas abordagens principais:

Método 1: Secagem de uma amostra até peso constante

  1. Coleta da amostra: Retire uma amostra representativa do material a ser analisado.
  2. Pesagem inicial: Pese a amostra antes de iniciar o processo de secagem.
  3. Secagem: Seque a amostra até que o peso permaneça constante (a temperatura de secagem deve ser inferior a 104°C para evitar a decomposição da biomassa).
  4. Cálculo do teor de umidade: Utilize a equação 𝑈𝑏𝑢=([𝑃𝑢𝑚−𝑃𝑠𝑐] / 𝑃𝑢𝑚)×100, onde 𝑃𝑢𝑚 é o peso úmido da amostra e 𝑃𝑠𝑐 é o peso seco da amostra.
  5. Cálculo do PCI: Aplique a equação apropriada para calcular o Poder Calorífico Inferior.
  6. Cálculo do PCU: A partir do PCI e considerando o teor de umidade e hidrogênio, aplique a equação para determinar o Poder Calorífico Útil.

Método 2: Utilização de um medidor de umidade para biomassa

  1. Carregamento da amostra: Coloque a amostra no recipiente do medidor de umidade (preferencialmente com boa amostragem como o M75).
  2. Leitura dos valores: O medidor fornecerá instantaneamente os valores do teor de umidade e do PCU.

O método de secagem até peso constante é mais laborioso e demorado, mas fornece resultados precisos. Já o uso de medidores de umidade é rápido e conveniente, ideal para medições frequentes e em campo. A escolha do método depende das necessidades específicas de precisão e rapidez na obtenção dos resultados.

Cada método apresenta vantagens e desvantagens. A tabela abaixo apresenta alguns aspectos de cada método:

 Peso SecoMedidor Eletrônico
Tempo para o ResultadoHoras (6 a 12h)Instantâneo
Volume da amostraPequeno (0,2 a 0,5kg)Grande (8 a 10kg)
Cálculos3 equações
Equipamentos auxiliaresBalança + Estufa
PortabilidadeNãoSim
Registro de dadosNãoSim, automático
Relatório e GráficosNãoSim
Dados disponíveis na WEBNãoSim
Custo de equipamentosMédioMédio
Custo de operaçãoElevadoBaixo
Método primárioSimNão

Conheça um pouco mais de como fazer a medição com um medidor assistindo o vídeo:

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Conclusões

São inegáveis as vantagens de se utilizar um medidor de umidade para a análise de biocombustíveis, especialmente devido às inúmeras vantagens que ele apresenta sobre o método tradicional de secagem até peso seco. Os medidores de umidade para biomassa são rápidos, fornecendo resultados instantâneos sobre o teor de umidade e o poder calorífico útil (PCU), o que é extremamente útil em contextos que demandam agilidade, como na avaliação de biomassa em campo ou em processos industriais contínuos.

Além da rapidez, os medidores são práticos e fáceis de usar. Eles não requerem a preparação extensiva das amostras nem a espera prolongada para que a secagem ocorra, como acontece no método de secagem até peso constante. Essa conveniência operacional permite que mais amostras seja analisado em menos tempo, aumentando a eficiência do controle de qualidade e da gestão dos biocombustíveis.

Por outro lado, apesar das vantagens dos medidores, o método de análise por secagem até peso seco continua sendo indispensável. Como método primário, a secagem até peso constante é fundamental para garantir a precisão e a confiabilidade das medições. Esse processo permite a calibração dos medidores de umidade para qualquer tipo de biomassa, assegurando que as leituras eletrônicas estejam corretas e ajustadas para as características específicas de diferentes materiais.

A calibração é essencial porque diferentes tipos de biomassa podem ter composições e propriedades físicas diversas que afetam a medição eletrônica de umidade. Por exemplo, a densidade, a porosidade e a composição química variam entre a madeira de eucalipto, o bagaço de cana e a casca de arroz. A análise por secagem até peso seco, ao proporcionar um valor de referência altamente preciso, permite que os medidores eletrônicos sejam ajustados para refletir essas variações de maneira correta.

Portanto, a integração de ambos os métodos—o uso de medidores de umidade de biomassa para análises rápidas e o método de secagem até peso seco para calibração—oferece uma abordagem abrangente e eficaz para a avaliação do teor de umidade e do poder calorífico da biomassa. Essa combinação maximiza a eficiência operacional sem comprometer a precisão, garantindo que os dados obtidos sejam tanto rápidos quanto confiáveis.

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