Características do gás durante a gasificação de biomassa em leito fluidizado

Durante os últimos anos, a procura mundial de recursos energéticos renováveis tem sofrido um grande aumento. Neste grupo insere-se a biomassa, cuja conversão termoquímica, principalmente através de tecnologias de combustão e gasificação, é utilizada para a produção de energia térmica e elétrica. No processo de gasificação de biomassa é possível obter um combustível gasoso secundário com variadas aplicações, podendo inclusive servir como substituto do gás natural. No entanto, ao contrário da combustão, esta tecnologia aplicada à biomassa ainda está em fase de demonstração a nível industrial, apresentando algumas limitações em alguns aspetos tecnológicos, entre os quais a qualidade do gás produzido. Neste contexto, e com o objetivo de contribuir para o conhecimento da aplicabilidade desta tecnologia, surge o presente trabalho, onde a caracterização e definição das condições de operação de um gasificador de biomassa, bem como a caracterização do gás produzido foram objeto de estudo. Foi realizado um conjunto de experiências de gasificação direta, num reator de leito fluidizado borbulhante à escala piloto, com dois tipos de biomassa tipicamente encontrados em Portugal, e para diferentes condições de operação do gasificador, nomeadamente no que diz respeito à razão de equivalência. A biomassa utilizada consistiu em pellets comerciais de madeira e estilha de biomassa florestal residual derivada de pinheiro (Pinus pinaster), e resultante de operações florestais em Portugal. Na gama de temperatura do leito aplicada, tipicamente entre 800ºC e 875ºC, o reator funcionou em condições auto térmicas, isto é, sem a necessidade de recorrer a uma fonte de calor auxiliar externa. Em relação à composição do gás seco durante o processo de gasificação, os gases presentes em maior percentagem (em volume), para as experiências com ambos os tipos de biomassa, são o CO2 e o CO, com o primeiro a registar valores médios entre os 13.4% e os 16%, e o segundo entre 11.3% e 16.3%. Por ordem decrescente de concentração encontra-se o H2, na gama de 5.8% a 12.7%, o CH4 com valores médios entre 2.8% e 4.5%, e o C2H4 com concentrações médias entre 1.0% e 2.2%. Importa referir ainda a ausência de O2 no gás produzido. Verificou-se na concentração de H2, a principal diferença na composição do gás seco relativamente à gasificação dos dois combustíveis utilizados, com valores de concentração inferiores durante a operação com estilha de biomassa florestal residual derivada de pinheiro. Nas várias experiências realizadas, e para as condições operatórias utilizadas, observou-se que a razão de equivalência (RE) exerce um efeito significativo na composição do gás, verificando-se, genericamente, que com o aumento da RE a concentração de gases combustíveis diminui. Os valores de Poder Calorífico Inferior (PCI) obtidos para o gás seco produzido encontram-se na gama 3.4-5.6 MJ/Nm3, sendo que os valores mais elevados foram registados no decorrer dos ensaios de gasificação com pellets de madeira. Para ambos os combustíveis, o PCI do gás seco diminui com o aumento da RE.

Características de cinzas e sua aplicação no tratamento de gases durante a gasificação de biomassa

Na procura de melhores combustíveis para a produção de energia térmica e energia elétrica, a biomassa apresenta-se como uma das fontes de energia renováveis menos prejudiciais ao meio ambiente, esta é considerada como um recurso neutro do ponto de vista de emissões de dióxido de carbono. Atualmente, a tecnologia predominante no domínio da conversão energética de biomassa por via termoquímica é a combustão. Contudo, verifica-se a procura de combustíveis de melhor qualidade produzidos a partir de biomassa, como por exemplo na forma gasosa (gás de combustível). A produção deste tipo de combustíveis gasosos envolvendo processos de gasificação carece do desenvolvimento de tecnologia que permita obter um gás combustível com características adequadas às utilizações pretendidas. Os problemas mais relevantes relacionados com a conversão termoquímica da biomassa incluem a produção de cinzas e de alcatrões, estes podem levar a vários problemas operatórios. O presente trabalho teve dois objetivos, a caracterização das cinzas resultantes do processo de combustão de biomassa e o estudo do efeito da aplicação das cinzas para melhorar as propriedades do gás produzido durante o processo de gasificação de biomassa, principalmente na redução de compostos condensáveis (alcatrões). As cinzas volantes da combustão de biomassa analisadas apresentam na sua constituição elementos químicos característicos da biomassa, onde o cálcio apresenta-se em concentrações mais elevadas. Em menores concentrações encontram-se sódio, magnésio, fósforo, enxofre, cloro, potássio, manganês e ferro. As cinzas de fundo, pelo contributo que a areia do leito tem, são caracterizadas por conterem grandes concentrações de silício. Durante os processos de gasificação de biomassa a concentração de compostos condensáveis diminuiu com o aumento da razão de equivalência. As cinzas, colocadas no reator de leito fixo, apresentam um efeito positivo sobre a qualidade do gás, nomeadamente um aumento de 47,8% no teor de H2 e de 11% de CO, consequentemente obteve-se um gás combustível com PCI (poder calorífico inferior) mais elevado.

Gasificação de biomassa num reator de leito fluidizado à escala piloto

A gasificação de biomassa permite a produção de um gás combustível com capacidade para reduzir o consumo de combustíveis fósseis. Contudo, para promover a utilização deste processo a nível industrial é necessário ultrapassar diversas limitações e elaborar tecnologias de gasificação que sejam mais rentáveis e eficientes. No presente trabalho efetuou-se a gasificação direta com ar, num reator auto-térmico com um leito fluidizado borbulhante, de diferentes tipos de biomassa provenientes da floresta portuguesa, nomeadamente pellets de madeira e diferentes tipos de biomassa florestal residual derivada de eucalipto. A investigação foi realizada numa instalação à escala piloto localizada no Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro. A infraestrutura foi desenvolvida de modo a permitir o estudo do processo de gasificação de biomassa. O reator utilizado apresenta 3 metros de altura, consistindo a câmara de gasificação em 2.25 metros, 0.25 metros de diâmetro interno e uma potência entre 40 e 70 kWth. O leito é composto por areia (partículas com granulometria entre os 355 e 1000 µm) e tem uma altura de 0.23 m. A infraestrutura experimental oferece condições para efetuar a gasificação de biomassa, determinar a composição do gás produzido em termos de CO, CO2, H2, N2, CH4 e C2H4 e efetuar a sua combustão num queimador localizado a jusante do reator. O leito fluidizado operou com temperaturas médias entre os 700 e 850ºC. Para as razões de equivalência estabelecidas, entre 0.17 e 0.36, o gás seco apresentou uma composição que, em termos volumétricos e em função das condições operatórias, variou entre 14.0 a 21.4% CO, 14.2 a 17.5% CO2, 3.6 a 5.8% CH4, 1.3 a 2.4% C2H4, 2.0 a 10.2% H2 e 48.9 a 61.1% N2. A maior concentração de CO, CH4 e C2H4 foi observada durante a gasificação de biomassa residual florestal derivada de eucalipto com razão de equivalência de 0.17, contudo, a maior concentração de H2 foi obtida na gasificação de pellets de madeira com razão de equivalência de 0.25. Tendo em conta a composição gasosa, o poder calorífico inferior do gás seco encontrou-se entre 4.4 e 6.9 MJ/Nm3 e os valores mais elevados foram observados durante os processos de gasificação efetuados com menor razão de equivalência. A produção específica de gás variou entre 1.2 e 2.2 Nm3/kg biomassa bs, a eficiência do gás arrefecido entre 41.1 e 62.6% e a eficiência de conversão de carbono entre 60.0 e 87.5%, encontrando-se na gama dos valores reportados na literatura. A melhor condição, em termos da eficiência de gás arrefecido, consistiu na gasificação de biomassa residual florestal derivada de eucalipto com razão de equivalência de 0.25, e em termos da produção específica de gás seco e eficiência de conversão de carbono, na gasificação de biomassa residual florestal derivada de eucalipto com razão de equivalência de 0.35. Contudo, o gás com maior poder calorífico inferior foi obtido durante a gasificação de biomassa residual florestal derivada de eucalipto com razão de equivalência de 0.17. O reator demonstrou adequabilidade na gasificação de diferentes tipos de biomassa e foram observadas condições estáveis de operação, tanto em termos de temperatura como da composição do gás produzido. Geralmente, o gás apresentou propriedades combustíveis apropriadas para ser comburido de forma contínua e estável pelo queimador de gás, sem ser necessária uma fonte de ignição permanente ou a utilização de um combustível auxiliar.

Evaluation of thermochemical biomass conversion in fluidized bed

Dado o aumento acelerado dos preços dos combustíveis fósseis e as incertezas quanto à sua disponibilidade futura, tem surgido um novo interesse nas tecnologias da biomassa aplicadas à produção de calor, eletricidade ou combustíveis sintéticos. Não obstante, para a conversão termoquímica de uma partícula de biomassa sólida concorrem fenómenos bastante complexos que levam, em primeiro lugar, à secagem do combustível, depois à pirólise e finalmente à combustão ou gasificação propriamente ditas. Uma descrição relativamente incompleta de alguns desses estágios de conversão constitui ainda um obstáculo ao desenvolvimento das tecnologias que importa ultrapassar. Em particular, a presença de elevados conteúdos de matéria volátil na biomassa põe em evidência o interesse prático do estudo da pirólise. A importância da pirólise durante a combustão de biomassa foi evidenciada neste trabalho através de ensaios realizados num reator piloto de leito fluidizado borbulhante. Verificou-se que o processo ocorre em grande parte à superfície do leito com chamas de difusão devido à libertação de voláteis, o que dificulta o controlo da temperatura do reator acima do leito. No caso da gasificação de biomassa a pirólise pode inclusivamente determinar a eficiência química do processo. Isso foi mostrado neste trabalho durante ensaios de gasificação num reator de leito fluidizado de 2MWth, onde um novo método de medição permitiu fechar o balanço de massa ao gasificador e monitorizar o grau de conversão da biomassa. A partir destes resultados tornou-se clara a necessidade de descrever adequadamente a pirólise de biomassa com vista ao projeto e controlo dos processos. Em aplicações de engenharia há particular interesse na estequiometria e propriedades dos principais produtos pirolíticos. Neste trabalho procurou-se responder a esta necessidade, inicialmente através da estruturação de dados bibliográficos sobre rendimentos de carbonizado, líquidos pirolíticos e gases, assim como composições elementares e poderes caloríficos. O resultado traduziu-se num conjunto de parâmetros empíricos de interesse prático que permitiram elucidar o comportamento geral da pirólise de biomassa numa gama ampla de condições operatórias. Para além disso, propôs-se um modelo empírico para a composição dos voláteis que pode ser integrado em modelos compreensivos de reatores desde que os parâmetros usados sejam adequados ao combustível ensaiado. Esta abordagem despoletou um conjunto de ensaios de pirólise com várias biomassas, lenhina e celulose, e temperaturas entre os 600 e 975ºC. Elevadas taxas de aquecimento do combustível foram alcançadas em reatores laboratoriais de leito fluidizado borbulhante e leito fixo, ao passo que um sistema termo-gravimétrico permitiu estudar o efeito de taxas de aquecimento mais baixas. Os resultados mostram que, em condições típicas de processos de combustão e gasificação, a quantidade de voláteis libertada da biomassa é pouco influenciada pela temperatura do reator mas varia bastante entre combustíveis. Uma análise mais aprofundada deste assunto permitiu mostrar que o rendimento de carbonizado está intimamente relacionado com o rácio O/C do combustível original, sendo proposto um modelo simples para descrever esta relação. Embora a quantidade total de voláteis libertada seja estabelecida pela composição da biomassa, a respetiva composição química depende bastante da temperatura do reator. Rendimentos de espécies condensáveis (água e espécies orgânicas), CO2 e hidrocarbonetos leves descrevem um máximo relativamente à temperatura para dar lugar a CO e H2 às temperaturas mais altas. Não obstante, em certas gamas de temperatura, os rendimentos de algumas das principais espécies gasosas (e.g. CO, H2, CH4) estão bem correlacionados entre si, o que permitiu desenvolver modelos empíricos que minimizam o efeito das condições operatórias e, ao mesmo tempo, realçam o efeito do combustível na composição do gás. Em suma, os ensaios de pirólise realizados neste trabalho permitiram constatar que a estequiometria da pirólise de biomassa se relaciona de várias formas com a composição elementar do combustível original o que levanta várias possibilidades para a avaliação e projeto de processos de combustão e gasificação de biomassa.

Biomass fly ash incorporation in cement based materials

In recent years, pressures on global environment and energy security have led to an increasing demand on renewable energy sources, and diversification of Europe’s energy supply. Among these resources the biomass could exert an important role, since it is considered a renewable and CO2 neutral energy resource once the consumption rate is lower than the growth rate, and can potentially provide energy for heat, power and transports from the same installation. Currently, most of the biomass ash produced in industrial plants is either disposed of in landfill or recycled on agricultural fields or forest, and most times this goes on without any form of control. However, considering that the disposal cost of biomass ashes are raising, and that biomass ash volumes are increasing worldwide, a sustainable ash management has to be established. The main objective of the present study is the effect of biomass fly ashes in cement mortars and concretes in order to be used as a supplementary cementitious material. The wastes analyzed in the study were collected from the fluidized bed boilers and grate boilers available in the thermal power plants and paper pulp plants situated in Portugal. The physical as well as chemical characterisations of the biomass fly ashes were investigated. The cement was replaced by the biomass fly ashes in 10, 20 and 30% (weight %) in order to investigate the fresh properties as well as the hardened properties of biomass fly ash incorporated cement mortar and concrete formulations. Expansion reactions such as alkali silica reaction (ASR), sulphate attack (external and internal) were conducted in order to check the durability of the biomass fly ash incorporated cement mortars and concretes. Alternative applications such as incorporation in lime mortars and alkali activation of the biomass fly ashes were also attempted. The biomass fly ash particles were irregular in shape and fine in nature. The chemical characterization revealed that the biomass fly ashes were similar to a class C fly ash. The mortar results showed a good scope for biomass fly ashes as supplementary cementitious materials in lower dosages (<20%). The poor workability, concerns about the organic content, alkalis, chlorides and sulphates stand as the reasons for preventing the use of biomass fly ash in high content in the cement mortars. The results obtained from the durability tests have shown a clear reduction in expansion for the biomass fly ash mortars/concretes and the binder blend made with biomass fly ash (20%) and metakaolin (10%) inhibited the ASR reaction effectively. The biomass fly ash incorporation in lime mortars did not improve the mortar properties significantly though the carbonation was enhanced in the 15-20% incorporation. The biomass fly ash metakaolin blend worked well in the alkali activated complex binder application also. Portland cement free binders (with 30-40 MPa compressive strength) were obtained on the alkali activation of biomass fly ashes (60-80%) blended with metakaolin (20-40%).

Contribution of biomass combustion to air pollutant emissions

In Portugal, it was estimated that around 1.95 Mton/year of wood is used in residential wood burning for heating and cooking. Additionally, in the last decades, burnt forest area has also been increasing. These combustions result in high levels of toxic air pollutants and a large perturbation of atmospheric chemistry, interfere with climate and have adverse effects on health. Accurate quantification of the amounts of trace gases and particulate matter emitted from residential wood burning, agriculture and garden waste burning and forest fires on a regional and global basis is essential for various purposes, including: the investigation of several atmospheric processes, the reporting of greenhouse gas emissions, and quantification of the air pollution sources that affect human health at regional scales. In Southern Europe, data on detailed emission factors from biomass burning are rather inexistent. Emission inventories and source apportionment, photochemical and climate change models use default values obtained for US and Northern Europe biofuels. Thus, it is desirable to use more specific locally available data. The objective of this study is to characterise and quantify the contribution of biomass combustion sources to atmospheric trace gases and aerosol concentrations more representative of the national reality. Laboratory (residential wood combustion) and field (agriculture/garden waste burning and experimental wildland fires) sampling experiments were carried out. In the laboratory, after the selection of the most representative wood species and combustion equipment in Portugal, a sampling program to determine gaseous and particulate matter emission rates was set up, including organic and inorganic aerosol composition. In the field, the smoke plumes from agriculture/garden waste and experimental wildland fires were sampled. The results of this study show that the combustion equipment and biofuel type used have an important role in the emission levels and composition. Significant differences between the use of traditional combustion equipment versus modern equipments were also observed. These differences are due to higher combustion efficiency of modern equipment, reflecting the smallest amount of particulate matter, organic carbon and carbon monoxide released. With regard to experimental wildland fires in shrub dominated areas, it was observed that the largest organic fraction in the samples studied was mainly composed by vegetation pyrolysis products. The major organic components in the smoke samples were pyrolysates of vegetation cuticles, mainly comprising steradienes and sterol derivatives, carbohydrates from the breakdown of cellulose, aliphatic lipids from vegetation waxes and methoxyphenols from the lignin thermal degradation. Despite being a banned practice in our country, agriculture/garden waste burning is actually quite common. To assess the particulate matter composition, the smoke from three different agriculture/garden residues have been sampled into 3 different size fractions (PM2.5, PM2.5-10 and PM>10). Despite distribution patterns of organic compounds in particulate matter varied among residues, the amounts of phenolics (polyphenol and guaiacyl derivatives) and organic acids were always predominant over other organic compounds in the organosoluble fraction of smoke. Among biomarkers, levoglucosan, β-sitosterol and phytol were detected in appreciable amounts in the smoke of all agriculture/garden residues. In addition, inositol may be considered as an eventual tracer for the smoke from potato haulm burning. It was shown that the prevailing ambient conditions (such as high humidity in the atmosphere) likely contributed to atmospheric processes (e.g. coagulation and hygroscopic growth), which influenced the particle size characteristics of the smoke tracers, shifting their distribution to larger diameters. An assessment of household biomass consumption was also made through a national scale survey. The information obtained with the survey combined with the databases on emission factors from the laboratory and field tests allowed us to estimate the pollutant amounts emitted in each Portuguese district. In addition to a likely contribution to the improvement of emission inventories, emission factors obtained for tracer compounds in this study can be applied in receptor models to assess the contribution of biomass burning to the levels of atmospheric aerosols and their constituents obtained in monitoring campaigns in Mediterranean Europe.

Extraction of added-value products from biomass using ionic liquids

The main purpose of this thesis is to investigate the potential of ionic liquids (ILs) as a new class of extractive solvents for added-value products from biomass. These include phenolic compounds (vanillin, gallic, syringic and vanillic acids), alkaloids (caffeine) and aminoacids (L-tryptophan). The interest on these natural compounds relies on the wide variety of relevant properties shown by those families and further application in the food, cosmetic and pharmaceutical industries. Aiming at developping more benign and effective extraction/purification techniques than those used, a comprehensive study was conducted using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ILs and inorganic/organic salts. In addition, ILs were characterized by a polarity scale, using solvatochromic probes, aiming at providing prior indications on the ILs affinity for particular added-value products. Solid-liquid (S-L) extractions from biomass and using aqueous solution of ILs were also investigated. In particular, and applying and experimental factorial design to optimize the operational conditions, caffeine was extracted from guaraná seeds and spent coffee. With both types of extractions it was found that it is possible to recover the high-value compounds and to recycle the IL and salt solutions. Finally, aiming at exploring the recovery of added-value compounds from biomass using a simpler and more suistainable technique, the solubility of gallic acid, vanillin and caffeine was studied in aqueous solutions of several ILs and common salts. With the gathered results it was possible to demonstrate that ILs act as hydrotropes and that water can be used as an adequate antisolvent. This thesis describes the use of ILs towards the development of more effective and sustainable processes.