Congresso de Métodos Numéricos em Engenharia 2015
Lisboa, 29 de Junho a 2 de Julho, 2015
© APMTAC, Portugal, 2015
SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE GASEIFICAÇÃO
APLICADA A FONTES DE BIOMASSA DA REGIÃO NORDESTE DO
BRASIL.
Jorge R. Henríquez1a, Jarmison A. Silva1b, Renata A. Figueiredo 1c, Flávio A. B.
Figueiredo1a, Jacek S. Michalewicz2, Rômulo S. C. Menezes 1d
1: Universidade Federal de Pernambuco,
Departamento de Eng. Mecânica; 1dDepartamento de Eng. Nuclear
Av. Prof. Moraes Rego, 1235 - Cidade Universitária, Recife - PE - CEP: 50670-901
e-mail: a,d{rjorge, flavio.figueiredo, rmenezes}@ufpe.br;
b,c
{jarmisonaraujo,renatha345}@yahoo.com.br}, web: https://www.ufpe.br
1a
2: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco
Av. Prof Luiz Freire, 500, Cidade Universitária - Recife/PE - CEP: 50740-540
e-mail: [email protected], web: http://www.recife.ifpe.edu.br/
Palavras-chave: Biomassa, Gaseificação, Equilíbrio Químico, Simulação Numérica,
Conversão termoquímica.
Resumo. No uso da biomassa para fins energéticos, em particular a produção de
eletricidade, podem ser utilizado tecnologias que envolvem combustão direta da biomassa
(ciclos a vapor) ou tecnologias que requerem a necessidade de conversão da biomassa em
combustíveis líquidos ou gasosos antes da sua combustão. A grande vantagem na conversão
de biomassa é o aumento da flexibilidade de uso destes combustíveis em motores de
combustão interna e turbinas a gás. A gaseificação é caracterizada pela geração de um gás
de baixo poder calorífico constituído basicamente por elementos químicos como CO2, CO,
H2, CH4 e H2O. O presente trabalho representa um estudo numérico do processo de
gaseificação considerando uma modelagem das equações de reação que ocorrem durante a
transformação termoquímica da biomassa. O modelo foi validado com resultados
experimentais para casca de arroz e aplicado a um estudo paramétrico envolvendo fontes de
biomassa da região nordeste do Brasil.
1. INTRODUÇÃO
No cenário atual brasileiro a energia de biomassa aparece como uma oportunidade de singular
importância por colaborar com um montante de aproximadamente 25% da oferta total de
energia do país [1]. Além da biomassa tradicional, contabilizada no balanço energético
nacional, existe um grande potencial nos resíduos agrícolas, industriais e urbanos para fins
energéticos [2-4]. No uso da biomassa para fins energéticos, em particular a produção de
eletricidade, podem ser utilizado tecnologias que envolvem combustão direta da biomassa,
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Michalewicz e Rômulo S. C. Menezes
como no caso de aquelas que se baseiam nos ciclos a vapor, ou tecnologias que requerem a
necessidade de conversão da biomassa em combustíveis líquidos ou gasosos antes da sua
combustão. Exemplos de este último caso são as tecnologias que fazem uso de gaseificação,
biodigestão e pirólise. A grande vantagem na conversão de biomassa em combustíveis
secundários, líquidos e gasosos, é o aumento da flexibilidade de uso destes combustíveis em
motores de combustão interna e turbinas a gás, além da maior eficiência energética e menor
impacto ambiental decorrente da emissão de poluentes atmosféricos nestes equipamentos por
unidade de potência gerada. As tecnologias que envolvem a conversão de biomassa via
pirólise e gaseificação para a produção de eletricidade são as mais distantes do estágio
comercial e as que apresentam menor viabilidade econômica na atualidade quando
comparadas a tecnologias de queima direta se for considerado o uso de combustíveis
convencionais. Naturalmente que a importância estratégica do domínio de diversas
tecnologias de aproveitamento da biomassa para propósitos energéticos requer que seja
aumentada a pesquisa e o desenvolvimento destas tecnologias.
Os processos termoquímicos da pirólise e a gaseificação podem ser definidos como a
degradação térmica de qualquer material orgânico sólido na ausência total ou parcial de um
agente oxidante, ou em uma quantidade tal que a oxidação não seja completa. A gaseificação
é caracterizada pela geração de um gás de baixo poder calorífico constituído basicamente por
elementos químicos como CO2, CO, H2, CH4, H2O, N2, CxHy, alcatrão e particulados,
resultante da oxidação do combustível sólido em condições de fornecimento de ar abaixo da
condição estequiométrica. A pirólise é um processo semelhante, que ocorre em temperaturas
relativamente menores e priorizando a obtenção de produtos líquidos (alcatrão, ácido
pirolenhoso e bio-óleo), que pode ser utilizado como combustível ou para aplicações na
indústria química fina, e também em menor grau carvão vegetal e gases combustíveis [5]. A
gaseificação de biomassa pode ser realizada utilizando ar, oxigênio ou vapor como agentes
oxidantes, resultando como função disso em produtos combustíveis com diferentes
composições. A utilização de vapor tem mostrado ser uma técnica interessante que permite
aumentar as frações de hidrogênio e monóxido de carbono na mistura gasosa produzindo
assim o chamado gás de síntese [6].
Tanto a pirólise quanto a gaseificação são processos que envolvem uma série de reações
químicas fundamentais, incluindo também transferência de calor e massa o que torna a
modelagem destes processos bastante complexa. Diversos modelos têm sido desenvolvidos e
apresentados na literatura ao longo dos anos [7]. Alguns desses modelos tratam apenas dos
fenômenos químicos da gaseificação e pirólise e a sua abordagem se restringe a estudos
envolvendo os processos reacionais presentes na conversão termoquímica da biomassa [8-11],
enquanto que outros apresentam uma abordagem mais completa incluindo na sua modelagem
a tecnologia de gaseificação, as interações de transferência de massa, energia e escoamento no
interior do gaseificador [12-14], ou ainda a modelagem de sistemas integrados envolvendo a
conversão termoquímica e a tecnologia de aplicação e uso do combustível produzido na
gaseificação [15-16]. Alguns desses trabalhos também envolvem de forma complementar uma
abordagem experimental [12,14,17] o que ajuda a validar os modelos e estudos numéricos.
No presente trabalho foi utilizado um modelo de equilíbrio termodinâmico estequiométrico
para estudar a composição de gases resultantes no processo de gaseificação de biomassa
2
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utilizando como agente oxidante vapor de água. Foram estudadas biomassas locais da região
Nordeste do Brasil e analisados os efeitos de temperatura e da fração de massa de vapor
participante do processo de gaseificação.
2. MODELO MATEMÁTICO
O modelo de equilíbrio termodinâmico aplicado a problemas reativos tem como principal
característica assumir que as reações químicas do processo, neste caso a gaseificação,
ocorrem numa condição de mistura ideal e num tempo considerado infinito ou de regime
permanente. Este tipo de modelos, embora simples, permite simular de forma adequada as
transformações termoquímicas que ocorrem em gaseificadores tipo leito fixo co-corrente.
Na modelagem do problema foi considerado que a gaseificação seria realizada introduzindo
vapor de água como agente oxidante em condições de temperatura elevadas. Também foi
assumido que a pressão no reator seria atmosférica. Embora a pressão seja um parâmetro que
afeta a composição final do gás de síntese produzido, neste trabalho este efeito não foi
estudado.
A equação principal do problema representa a reação entre a biomassa e o vapor de água, os
quais reagem para formar o gás de síntese formado pelo hidrogênio, metano, monóxido e
dióxido de carbono, conforme indicado pela Equação 1.
CX HY OZ  w  mH2O  aH2  bCO cCO2  dH2O  eCH4
(1)
Para completar o modelo são necessárias mais duas equações que corresponde a reações
endotérmicas de redução, indicadas pelas equações 2 à 4. A primeira destas equações
corresponde à reação de Boudouar, enquanto que a segunda (equação 3) representa uma
reação heterogênea água-gás e, por último, a equação 4 seria uma reação de hidrogenação
para a formação de metano.
C  CO2  2CO
(2)
C  H2O  CO  H2
(3)
C  2H2  CH4
(4)
As reações dadas pelas equações (2) e (3) podem ser representadas através de uma única
reação global indicada pela equação (5),
CO  H2O  CO2  H2
(5)
Sendo assim, o modelo básico fica estabelecido pelo conjunto de reações (1), (4) e (5). Nestas
equações os coeficientes X, Y, Z representam o número de mol associados às frações de
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carbono, hidrogênio e oxigênio presentes na biomassa. O coeficiente w corresponde ao
número de moles associado ao teor de umidade da amostra de biomassa enquanto que m
corresponde ao coeficiente molar do vapor de água injetado ao processo de gaseificação. Os
coeficientes a, b, c, d, e representam as quantidades molares dos produtos resultantes da
gaseificação.
Para a definição das equações algébricas que permitam encontrar os coeficientes a, b, c, d, e é
necessário utilizar um balanço das espécies químicas na reação principal de gaseificação dada
pela equação (1) e complementar com outras duas equações não lineares a partir da equação
de equilíbrio químico das reações (4) e (5) conforme segue.
Aplicando a definição da condição de equilíbrio químico às reações (4) e (5), tem-se;
[CH4 ]1  P 
 
k1 
[H 2 ]2  P0 
(1)( 2)
ea  b  c  d  e  P 
 

a2
 P0 
[CO]1[H 2O]1  P 
 
k2 
[CO2 ]1[H 2 ]1  P0 
(11)(11)

bd
ca
1
(6)
(7)
A constante de equilíbrio pode ser determinada a partir de tabelas específicas ou de uma
forma mais apropriada para uma simulação numérica a partir da sua definição através da
função de Gibbs.
Gio
Ln(ki )  
RT
(8)
Desta expressão nota-se a dependência da constante de equilíbrio com a temperatura. A
função de Gibbs pode ser obtida de uma expressão em função dos elementos que fazem parte
da reação de redução conforme indicado de forma genérica na equação (9) considerando uma
reação de dissociação também genérica dada pela equação (10). Para encontrar os valores da
função de Gibbs associadas as constantes de equilíbrios k1 e k2, basta aplicar a equação (9) as
correspondentes reações de redução.


G0   C gC0  D g D0   Ag 0A  B g B0
 A A  B B  CC  D D

(9)
(10)
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A resolução das equações do modelo foi realizada utilizando o ambiente numérico oferecido
pelo software EES (Engineering Equation Solver). A avaliação das propriedades
termodinâmicas necessárias para determinar as funções de Gibbs elementares é realizada
4
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Michalewicz e Rômulo S. C. Menezes
diretamente e de forma automática das bibliotecas contidas no software.
Inicialmente e antes de realizar os estudos propriamente propostos, o modelo
matemático/numérico foi validado utilizando informações experimentais da gaseificação de
casca de arroz [17]. A Figura 1 mostra um gráfico comparativo dos resultados numéricos
obtido com o modelo e os dados experimentais da fração molar de hidrogênio e metano para
quatro diferentes temperaturas. Observa-se uma boa concordância entre os resultados.
Figura 1. Comparação entre resultados experimentais e numéricos para gaseificação de casca de arroz.
Tendo validado o modelo, foi realizado um estudo paramétrico para utilizando biomassa
nativa da região do Nordeste do Brasil. Inicialmente a biomassa foi caracterizada
determinando a sua composição elementar, umidade e cinzas. Os resultados são mostrados na
Tabela 1.
Amostra
Baraúna
Burra Leiteira
Catingueira
Jurema Preta
Maniçoba
Umbuzeiro
C
37,80
36,81
38,62
42,63
35,97
39,75
H
3,71
6,35
6,28
6,18
5,94
6,57
O
45,47
43,23
41,73
39,10
43,24
41,60
Umidade
11,07
11,12
11,05
11,05
10,76
10,34
Cinzas
1,95
2,49
2,31
1,04
4,08
1,74
Tabela 1. Composição em massa de amostras de biomassa da região Nordeste do Brasil
Para cada uma dessas biomassas foram calculados os componentes molares e realizadas
simulações numéricas do processo de gaseificação. Inicialmente foi estudada a biomassa
Baraúna e analisada a formação de produtos em função da temperatura e da fração de vapor
como agente oxidante. Foram realizadas simulações para 7 diferentes temperaturas variando
no intervalo de 700 a 1300 K e também para 7 diferentes frações de massa de vapor em
relação à massa de Baraúna (de 30% à 200%).
5
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Michalewicz e Rômulo S. C. Menezes
Na Figura 2 são mostrados os resultados para a variação da temperatura considerando uma
fração de massa de vapor de 100% em relação à massa de Baraúna. Os resultados indicam que
a formação do hidrogênio e do monóxido de carbono são favorecidos pelo aumento da
temperatura, enquanto que o metano e dióxido de carbono tem as suas frações reduzidas. Para
as condições de simulação analisadas, a produção de hidrogênio começa a se estabilizar em
torno de uma temperatura de 1100K.
As Figuras 3 e 4 mostram resultados semelhantes para os casos de fração de massa de vapor
de água de 30% e 130% respectivamente. Com a redução da fração de vapor, ocorre uma
acentuada formação de CO com o aumento da temperatura,
Figura 2. Composição do gás de síntese em função da temperatura para a gaseificação de Baraúna com 100% de
vapor em massa.
Figura 3. Composição do gás de síntese em função da temperatura para a gaseificação de Baraúna com 30% de
6
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vapor em massa.
Figura 4. Composição do gás de síntese em função da temperatura para a gaseificação de Baraúna com 130% de
vapor em massa.
A Figura 5 mostra de forma mais direta o efeito da fração de vapor para o processo de
gaseificação e a formação de compostos. Nota-se nessa figura que a formação de metano é
pouco afetada pela concentração de vapor de água no reator.
Figura 5. Efeito da fração de vapor de água na composição do gás gerado pela gaseificação de Baraúna para uma
condição de temperatura de 1100 K.
7
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Um estudo do conteúdo energético dos gases produzidos na gaseificação de Baraúna foi
realizado com os resultados da simulação. A Figura 6 mostra o efeito da temperatura para
diferentes condições de fração de massa de vapor no processo de gaseificação de Baraúna.
Como pode ser observado, o aumento na fração de vapor tende a diminuir a o poder calorífico
do gás de síntese produzido, da mesma forma como acontece com a gaseificação realizada em
temperaturas mais baixas. Este comportamento está diretamente relacionado com a produção
de monóxido de carbono que diminui quando aumenta a fração de vapor e aumenta com o
aumento da temperatura de gaseificação. Os patamares de aumento da fração de hidrogênio
que ocorrem de forma diretamente proporcional aos aumentos de temperatura e fração de
massa de vapor tem pouca influência no comportamento do conteúdo energético, pois
representa uma fração mássica pequena quando comparada à fração do CO na mistura.
Poder Calorífico Inferior [kJ/kg]
14000
13500
130%
13000
100%
12500
80%
50%
12000
30%
11500
11000
10500
10000
9500
9000
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
Temperatura [K]
Figura 6. Poder calorífico do gás de síntese da Baraúna em função da temperatura de equilíbrio de gaseificação
para diferentes frações de massa de vapor de água.
Como complemento ao estudo paramétrico, foi analisado o comportamento da produção de
hidrogênio, metano e monóxido de carbono, que são os componentes combustíveis do gás de
síntese, em função de 6 tipos de biomassas disponíveis na região Nordeste do Brasil. Os
resultados estão apresentados nas figuras 7 à 9. Na Figura 7 tem-se os resultados para o caso
do hidrogênio. Pode-se observar que o comportamento é similar para todas as biomassas,
embora uma pequena diferença possa ser notada enquanto a valores no caso da biomassa
Baraúna que apresenta valores menores de produção de hidrogênio comparado às demais. A
principal razão para esse comportamento deve estar no conteúdo original de hidrogênio da
Baraúna que é metade do conteúdo das demais biomassas como mostram os resultados da
Tabela 1. Ao analisar os resultados para a formação de monóxido de carbono em função da
temperatura para os diferentes tipos de biomassas (Figura 8) observa-se que em temperaturas
em torno de 700 K a fração de monóxido de carbono produzido é a mesma para todas as
8
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Michalewicz e Rômulo S. C. Menezes
biomassas analisadas. Com o aumento de temperatura para 1300K a Jurema Preta é a
biomassa que apresenta a maior produção deste gás e a Maniçoba e Burra Leiteira são as que
apresentam a menor produção. A diferença de valores é da ordem de 3% na fração molar. No
caso da produção de metano, cujos resultados estão apresentados na Figura 9, observa-se que
a biomassa Baraúna é novamente a que apresenta menores valores de produção deste gás. A
razão talvez seja a mesma que causou a menor produção de hidrogênio entre as biomassas
analisadas.
Figura 7. Comparação da produção de hidrogênio para 6 diferentes biomassas em função da temperatura.
Figura 8. Comparação da produção de CO para 6 diferentes biomassas em função da temperatura.
9
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Michalewicz e Rômulo S. C. Menezes
Figura 9. Comparação da produção de Metano para 6 diferentes biomassas em função da temperatura.
4. CONCLUSÕES
Foi apresentado um modelo para análise numérica do processo de gaseificação de biomassa.
O modelo foi construído utilizando uma reação química estequiométrica considerando como
agente oxidante o vapor de água que junto com o combustível reagem em condições de
temperatura elevada para formar um gás de síntese. Completa o modelo um conjunto de
equações de redução que são utilizadas para definir as condições de equilíbrio do sistema. O
modelo foi validado comparando resultados experimentais da literatura com os resultados
numéricos obtidos para a gaseificação de casca de arroz sob as mesmas condições
experimentais. Os resultados mostram uma boa concordância.
Aplicando o modelo à gaseificação de diferentes biomassas da região do Nordeste do Brasil,
verifica-se que a temperatura da gaseificação tem um papel importante no processo alterando
as condições de composição do gás de síntese produzido. Identicamente, a fração de massa de
vapor de água utilizada como agente oxidante também altera as características químicas deste
gás o que acaba repercutindo no conteúdo de energia química do produto gerado. Dos
resultados destes estudos observa-se que o aumento de temperatura potencializa a formação
de hidrogênio e monóxido de carbono em detrimento da formação de metano e dióxido de
carbono respectivamente. Por sua vez, o aumento na quantidade de vapor de água presente na
reação também provoca alterações na composição do gás de síntese, aumentando a produção
de hidrogênio e dióxido de carbono e diminuindo a formação de monóxido de carbono. A
concentração de metano no gás de síntese não é alterada apreciavelmente em função do
aumento do vapor de água no processo.
Os resultados indicam que o processo de gaseificação das biomassas estudadas resulta num
gás de síntese com poder calorífico da ordem de 13500 kJ/kg sendo este valor próximo em
ordem de grandeza do poder calorífico das biomassas analisadas. Estudos posteriores serão
10
Jorge R. Henríquez, Jarmison A. Silva, Renata A. Figueiredo, Flávio A. B. Figueiredo, Jacek S.
Michalewicz e Rômulo S. C. Menezes
necessários para quantificar os gastos energéticos e a determinação da eficiência energética do
processo.
5. AGRADECIMENTOS
O primeiro autor agradece ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico - CNPq - pelo suporte financeiro concedido por meio do projeto CNPq/Proc.
486476/2011-1 e projeto bolsa produtividade CNPq/Proc.308783/2012-3. O segundo autor
agradece ao programa de formação de recursos humanos em tecnologia de equipamentos para
atuação no setor de petróleo, gás e biocombustíveis – PRH-PB203 e ao Programa de Pósgraduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) pelo
suporte financeiro na forma de bolsa de estudo.
REFERÊNCIAS
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Energética. – Rio de Janeiro : EPE, (2014).
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Jorge R. Henríquez, Jarmison A. Silva, Renata A. Figueiredo, Flávio A. B. Figueiredo, Jacek S.
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12