Capítulo 6
Gaseificação E PIRÓLISE
para A CONVERSÃO DA
BIOMASSA EM eletricidade e
biocombustíveis
Electo Eduardo Silva Lora
Rubenildo Vieira Andrade
Juan Daniel Martínez Ángel
Marco Antonio Haikal Leite
Mateus Henrique Rocha
Cristina Apª. Vilas Bôas de Sales
Mónica Andrea Gualdrón Mendoza
Doris del Socorro Obando Coral
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412 BIOCOMBUSTÍVEIS
6.1 Introdução
A biomassa geralmente é utilizada como fonte de calor e para geração de eletricidade a partir da sua
combustão em fornos e caldeiras acoplados ou não a turbinas a vapor, como descrito no capítulo 2. A
gaseificação de biomassa consiste na conversão da biomassa em um gás combustível, possibilitando a sua
utilização em equipamentos como Turbinas a Gás (TG), Motores Alternativos de Combustão Interna
(MACI) aplicados a conversão de potência. A partir da biomassa também é possível obter hidrocarbonetos com características semelhantes aos combustíveis líquidos comerciais, tais como a gasolina e o diesel
(capítulo 7). Geralmente este gás é chamado de gás de biomassa, gás pobre ou producer gas. Para fins práticos, o gás obtido através da gaseificação da biomassa será denominado de gás de síntese nos próximos
itens deste capítulo.
Existem duas rotas de conversão da biomassa lignocelulósica em biocombustíveis, a rota termoquímica e a rota bioquímica, conforme mostrado na figura 6.1. A rota bioquímica (hidrólise
+ fermentação), que apresenta, ainda, sérios desafios tecnológicos, será discutida posteriormente
no capítulo 8. A rota termoquímica através da pirólise e/ou a gaseificação da biomassa, passa pela
obtenção do gás de síntese, seguido da síntese catalítica ou da fermentação, o que torna possível
a obtenção de hidrocarbonetos, álcoois, hidrogênio, amônia e GNS (Gás Natural Sintético) entre
outros compostos. Os processos da rota termoquímica são conhecidos como processos BTL (Biomass
to Liquid). Esta rota, também em desenvolvimento, apresenta uma série de desafios na etapa de gaseificação propriamente dita, que serão analisados a seguir.
Figura 6.1 Rotas de conversão da biomassa em biocombustíveis. Reproduzida de Jenkins (2007). Bioenergy,
biofuels, and potentials for sustainable development, energy lecture series. Department of Biological and Agricultural
Engineering.
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 413
6.2 Gás de síntese: definição e requisitos de qualidade
Gás de síntese é o nome dado a uma mistura de hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO)
que pode ser produzido a partir de gás natural, carvão, petróleo, biomassa e até mesmo a partir de resíduos orgânicos. A disponibilidade e flexibilidade da base de recursos são as chaves para os usos atuais
e futuros do gás de síntese e de seus componentes em separado. O gás de síntese representa uma fonte
potencialmente crescente de combustíveis limpos e também para a síntese de produtos químicos, sendo
um combustível importante para a produção de eletricidade isenta de poluentes atmosféricos, tais como
óxidos de enxofre (SOx) e óxidos de nitrogênio (NOx) (WENDER, 1996). O mesmo tem aplicação em
processos industriais de produção de hidrogênio para células combustíveis, metanol e de vários produtos
químicos, tais como a amônia, conforme apresentado na figura 6.2.
Figura 6.2 Principais aplicações do gás de síntese. Reproduzido com permissão de Wender (1996). Reactions of
synthesis gas. Fuel Processing Technology, 48(3):189-297. Copyright Elsevier, 1996.
Quando o processo de gaseificação é realizado com ar, o gás de síntese tem um teor considerável de
nitrogênio (N2), o qual deve ser removido quando se visa à produção de compostos químicos. Alguns autores diferenciam um gás de síntese de menor qualidade, ou seja, com baixo poder calorífico (5,0 MJ/Nm³
em média), passível de ser utilizado diretamente em Motor Alternativo de Combustão Interna (MACI),
Turbinas a Gás (TG) ou para a queima direta em fornos e caldeiras. A poligeração consiste no uso do gás
obtido por gaseificação, tanto para processos de síntese como para a geração de eletricidade numa única
planta. No caso da via bioquímica de conversão, existe a opção de gaseificar os resíduos de lignina.
Todas as aplicações do gás de síntese estabelecem determinados requisitos de qualidade do gás no
que diz respeito ao seu poder calorífico, concentração dos componentes principais e de impurezas.
Para a sua utilização em MACI e TG existe uma série de requisitos que visam à proteção dos acionadores primários, de forma a evitar entupimentos, deposições, corrosão e erosão. As principais impurezas,
cujo teor está limitado nestas aplicações, são: as partículas, alcatrão, sulfeto de hidrogênio e metais alcalinos.
A Tabela 6.1 mostra estes requisitos, incluindo também o caso das células a combustível. Estas
requerem tratamentos de limpeza muito mais rigorosos, devido principalmente às complicações provocadas por algumas impurezas no cátodo (maiores detalhes no Capitulo 9). Porém, embora a qualidade do
gás produzido em gaseificadores dependa de diferentes fatores, tais como:
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414 BIOCOMBUSTÍVEIS
• O tipo de reator.
• Parâmetros de operação.
• Agentes de gaseificação.
Existe sempre uma diferença considerável entre os teores de impurezas e composição do gás sujo,
é o que se requer para um equipamento ou processo determinado. Assim, são necessários processos de
limpeza e condicionamento antes da utilização do gás, como mostrado na figura 6.3, para o caso específico do processo de obtenção de biocombustíveis através da síntese Fischer-Tropsch (FT).
Tabela 6.1 Requisitos do gás de biomassa para a sua utilização como combustível em diferentes acionadores primários.
Adaptada de (KALTSCHMITT e HARTMANN, 2001; NREL, 2001)
Impurezas
Unidades
MACI
TG
Célula a combustível
mg/Nm³
< 50
< 30
–
μm
<3
<5
–
Alcatrão
mg/Nm³
< 100
–
<1
Álcalis
mg/Nm³
–
<0,25
–
NH3
mg/Nm³
< 55
–
< 0,1
H2S
mg/Nm³
< 1150
–
<1
HCl
ppm
–
–
<1
SiO2
mg/Nm³
–
–
<1
Partículas
* O teor total permissível de enxofre de acordo com diferentes fabricantes de motores fica na faixa de 715 a
2 200 mg/Nm³ CH4 (Environment Agency, 2004).
Figura 6.3 Etapas do processo de obtenção de combustíveis pela rota termoquímica (tecnologias BTL). Adaptado de
Jenkins (2007). Bioenergy, biofuels, and potentials for sustainable development, energy lecture series. Department
of Biological and Agricultural Engineering.
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 415
Os processos de síntese de combustíveis apresentam uma série de requisitos com relação à pressão,
temperatura no reator, tipo de catalisador e relação H2/CO no gás de síntese (tabela 6.2). A relação H2/CO
pode ser ajustada durante o condicionamento do gás utilizando-se a reação de gás–água (reação de shift).
Tabela 6.2 Parâmetros de operação e relação H2/CO para alguns processos de síntese de combustíveis. Reproduzida
de Zuberbulher et alii (2006). Gasification of biomass – an overview on available technologies. 1st European Summer
School on Renewable Motor Fuels, Stuttgart, Alemanha
Pressão
Temperatura
Produto
Produto
Catalisador
H2/CO
(bar)
(ºC)
CH4
1-30
300-400
Ni
3/1
CH3OH
50-100
250-280
Cu/ZnO
2/1
Biocombustíveis Líquidos
– CH2 –
3-25
190-240
Co
2/1
Biocombustíveis Líquidos
– CH2 –
3-25
250-300
Fe
2/1
Gás Natural Sintético
Metanol
Outro fator importante é a qualidade do gás no que diz respeito aos teores de H2S e outros compostos sulfurosos, particulados, alcatrão e compostos alcalinos (tabela 6.3). A qualidade requerida do gás
depende de qual é o processo que utiliza o gás de síntese como matéria-prima.
Tabela 6.3 Características requeridas do gás de síntese para a produção de combustíveis sintéticos, metanol e
hidrogênio. Reproduzida de Ciferno e Marano (2002). Benchmarking biomass gasification technologies for fuels,
chemicals and hydrogen pro­duction. U.S. Department of Energy (DOE). National Energy Technology Laboratory
Combustíveis
Produto
Sintéticos
Metanol
Hidrogênio
0,6a
~ 2,0
Alto
CO2
Baixo
Baixo
Irrelevanteb
Hidrocarbonetos
Baixod
Baixod
Baixod
N2
Baixo
Baixo
Baixo
H2O
Baixo
Baixo
Altoe
Enxofre <1 ppm
Enxofre <1 ppm
Enxofre <1 ppm
Baixos particulados
Baixos particulados
Baixos particulados
Irrelevantef
Irrelevantef
Irrelevantef
FT Gasolina e Diesel
H2/CO
Contaminantes
Poder calorífico
Pressão, bar
Temperatura, °C
~ 20-30
c
~ 50 (Fase líquida)
~ 140 (Fase vapor)
200-300g
300-400
100-200
~ 28
100-200
(a) Depende do tipo de catalisador. Para catalisador de ferro, o valor mostrado é satisfatório; para catalisador de
cobalto, um valor próximo de 2,0 deve ser usado.
(b) A reação de deslocamento água/gás terá de ser utilizada para converter CO em H2; o CO2 no syngas pode ser
retirado simultaneamente com o CO2 gerado pela reação de deslocamento água/gás.
(c) Alguma quantidade de CO2 pode ser tolerada se a relação H2/CO for superior a 2,0 (como pode ocorrer com a
reforma de vapor de gás natural); se excesso H2 é disponível, o CO2 será convertido em metanol.
(d) O metano e os hidrocarbonetos mais pesados devem ser retirados e/ou convertidos para a conversão do gás
de síntese e representam a ineficiência do sistema.
(e) A água é necessária para a reação de deslocamento água/gás.
(f) Enquanto a relação H2/CO e os níveis de impurezas estão preenchidos, o poder calorífico não é crítico.
(g) Depende do tipo de catalisador; os catalisadores de ferro geralmente operam em temperaturas mais elevadas
que os catalisadores de cobalto.
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416 BIOCOMBUSTÍVEIS
Em geral, as características e condicionamento do gás de síntese são mais críticas para as aplicações
de síntese de combustíveis e produtos químicos que para as aplicações em máquinas térmicas (MACI e
TG). A alta pureza do gás de síntese é extremamente benéfica para a síntese de combustíveis e produtos
químicos, uma vez que reduz substancialmente o tamanho e o custo dos equipamentos a jusante. No entanto, as especificações fornecidas na tabela 6.3 não devem ser interpretadas como exigências rigorosas.
Diferentes equipamentos, por exemplo, purificadores, compressores, refrigeradores, etc., podem ser
utilizados para condicionar o gás de síntese e conseguir que ele cumpra com os requisitos de qualidade,
embora, acrescentando complexidade e custo. A tabela 6.4 apresenta requisitos mais detalhados para o
caso da síntese de metanol. Os requisitos em relação à quantidade máxima de impurezas no gás de síntese
para o caso dos processos FT são mostrados na tabela 6.5.
Tabela 6.4 Parâmetros de qualidade do gás de síntese na síntese de metanol. Reproduzida de Zuberbulher et alii
(2006). Gasification of biomass – an overview on available technologies. 1st European Summer School on Renewable
Motor Fuels, Stuttgart, Alemanha
Componente
Concentração permissível, mg/Nm³
H2S e outros compostos sulfurosos
< 0,1
Partículas
<0,1
Alcatrão
<1,0
Compostos alcalinos
<0,25
Tabela 6.5 Especificações do gás de síntese para processos FT. Reproduzida de Bolhar-Nordenkampf et alii (2004).
Analysis and evaluation of the production of Fischer-Tropsch-fuels from biomass. 2nd World Conference on Biomass
for Energy, Industry and Climate Protection, 10-134 May 2004, Rome, Italy, p. 1.151-1.154
Compostos
CO2
Valores da literatura
FT de baixa temperatura, leito fixo,
Catalisador de Cobalto (Co)
5 % em volume
5% em volume
Cinzas
< 0,1 mg/Nm³
N (HCN, NH4)
< 20 ppbv
<1 ppmv
S (H2S, COS)
Metais alcalinos
Cl (HCl)
Br, F
Alcatrão
< 10 ppbv
< 10 ppbv
< 10 ppbv
<1 ppmv
<10 ppbv
<10 ppbv
<10 ppbv
< Condensação
H2/CO, Reator TFBR
(Tubular Fixed Bed Reactor)
H2/CO, Reator SBCR
(Slurry Bubble Column Reactor)
< Condensação
–
–
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>2
Para catalisadores de Co
min – 0,6
Para catalisadores de Fe
Ótimo 2,15
Para catalisadores de Co
Ótimo > 1,35
Para catalisadores de Fe
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 417
6.3 Tecnologias e processos de produção de gás de síntese a partir
da biomassa (pirólise e gaseificação)
6.3.1 Pirólise
A pirólise é um processo de degradação termoquímica que ocorre quando se aplica calor a uma
substância ou material, em ausência total de oxidante. Neste sentido, a pirólise é um processo endotérmico que precisa de uma fonte externa de energia (calor) para seu desenvolvimento. Este processo permite
a transformação da biomassa em três frações: sólida, gasosa e líquida (esta última considera os gases
condensáveis da fração gasosa).
A fração sólida consiste principalmente em cinzas e carbono (dependendo da temperatura empregada no processo), que podem ser utilizados como combustível ou na fabricação de carvão ativado por
meio da sua posterior ativação com CO2 e/ou vapor de água. A fração gasosa é também combustível,
sendo composta por H2, CO, CO2, CH4, e outros hidrocarbonetos.
Segundo Méier e Faix (1999) a fração líquida, também chamada de óleos pirolíticos, ou bio-óleo, é
uma mistura complexa de componentes aromáticos e alifáticos oxigenados.
De modo geral, é possível afirmar que os óleos pirolíticos são alcatrões (hidrocarbonetos) que possuem igualmente um importante conteúdo energético, e podem ser aproveitáveis em câmaras de combustão, motores diesel e turbinas entre outros (CHIARAMONTI et alii, 2007).
As características dos produtos da pirólise em termos de quantidade e qualidade dependem das condições de operação do processo. Neste sentido, a temperatura, a granulometria do material, a velocidade
ou taxa de aquecimento, o tempo de residência, o fluxo do fluido de trabalho (geralmente nitrogênio) e as
características próprias da biomassa são variáveis importantes no desempenho do processo.
Segundo Zabaniotou et alii (2008), a temperatura é a variável que possui o maior efeito sobre a pirólise. De acordo com estas características, a pirólise recebe diferentes denominações, como indicado na
tabela 6.6.
Tabela 6.6 Características das tecnologias de pirólise. Reproduzida de Nogueira e Lora (2003). Dendroenergia:
Fundamentos e Aplicações, 2a ed. Rio de Janeiro, Interciência, 199 p.
Tecnologia
Tempo de residência
Taxa de aquecimento
Temperatura máxima
Produto principal
Carbonização
Horas – dias
Muito pequena
400
Carvão
Convencional
5-30 min
Pequena
600
Gás e líquido
Rápida
0,5-5 s
Intermediária
650
Gás e líquido
Flash
<1s
Alta
< 650
Gás e líquido
< 0,5 s
Muito alta
1 000
Gás e líquido
2-30 s
Intermediária
400
Gás e líquido
Ultrarrápida
A vácuo
Algumas dificuldades nas rotas de obtenção de gás de síntese a partir da biomassa, principalmente
no que diz respeito à limitação na capacidade dos gaseificadores existentes, podem ser evitadas se a mesma é convertida primeiramente num líquido através da pirólise (VAN SWAAIJ et alii, 2004).
A gaseificação em reator de leito arrastado (de correntes ascendente e descendente) dos óleos produzidos numa etapa prévia de pirólise de biomassa é um processo que permite a produção de um gás
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418 BIOCOMBUSTÍVEIS
de síntese livre de alcatrão. Inicialmente este processo de gaseificação foi desenvolvido para aplicações
com coque de petróleo e carvão mineral em sistemas IGCC (integrated gasification combined cycle) por a mesma pode ser transportada a Shell e a Texaco, e ocorre a temperaturas da ordem de 1 200°C. A principal
vantagem da pirólise como tratamento preliminar é o aumento da densidade energética da biomassa e
a facilidade com que a mesma pode ser transportada e armazenada, da mesma maneira que o petróleo,
podendo ser manuseada mais facilmente que a biomassa sólida.
A pirólise rápida é um processo relativamente novo, que ainda não atingiu o estágio comercial. Neste
processo, partículas de biomassa relativamente pequenas (< 6 cm) são rapidamente aquecidas até temperaturas em torno de 650ºC e pressões ligeiramente superiores à atmosférica (BIOMASS, 2011).
A figura 6.4 mostra o mecanismo e a formação dos produtos durante a pirólise rápida e as frações
típicas de cada um (MÉIER, 2006).
Figura 6.4 Mecanismo e distribuição dos produtos no processo de pirólise rápida. Reproduzido de Méier (2006).
Aktuelle Enwicklungen auf dem Gebiet der Flash Pyrolise zur Verflussigung von Biomasse. Flensburg, 16 March
2006.
Na figura 6.5, são apresentados quatro tipos de reatores utilizados em processos de pirólise rápida,
com algumas de suas características (HENRICH, 2005).
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 419
Figura 6.5 Esquemas dos reatores utilizados para processos de pirólise rápida. Reproduzida de Henrich (2005).
Clean syngas from biomass by pressurized entrained flow gasification slurries from fast pyrolysis. Second Generation
Automotive Biofuel Conference, 18-20 May, 2005, Stockholm, Sweden.
A tecnologia de pirólise rápida da empresa BTG é baseada em um reator cônico rotativo, que permite um bom contato entre as fases sólidas e gasosas presentes na reação. Na figura 6.6 é apresentado
um esquema geral do equipamento o qual foi desenvolvido pela Universidade de Twente, na Holanda.
Partículas de biomassa à temperatura ambiente e partículas de areia (ou qualquer outro material inerte) à
alta temperatura são introduzidas pela parte inferior do cone, onde os sólidos são misturados e transportados até o topo mediante à ação de rotação do recipiente. Neste tipo de reator, pode-se conseguir um
aquecimento rápido e um tempo de residência da fase gasosa pequeno.
A tabela 6.7 resume as propriedades e características dos óleos obtidos por pirólise rápida da madeira (BRIDGWATER, 2004).
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420 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.6 Reator cônico rotativo. Biomass (2011).
Tabela 6.7 Propriedades e características típicas dos óleos obtidos a partir da madeira por pirólise rápida. Reproduzida
com permissão de Bridgwater (2004). Biomass Fast Pyrolysis. Thermal Science, 8(2):21-49. Copyright Thomson
Reuters, 2004
Propriedade ou característica
Teor de umidade
pH
Densidade
Análise elementar
Cinzas
Poder Calorífico Superior (PCS)
Valor típico
25%
2,5
1,2 kg/l
Comentários
A água vem da umidade na biomassa e das reações de pirólise e
não pode ser separada. Valores na faixa de 15-35%
O pH baixo é consequência dos ácidos orgânicos
Muito alta, de aproximadamente 1,2 kg/l, comparada com a
do óleo combustível leve de aproximadamente 0,85 kg/l. O
bio-óleo tem aproximadamente 40% do poder calorífico do óleo
combustível em base mássica, e mais de 60% em relação ao
volume
Tipicamente: C: 57%, H: 0,6%, O: 37%, N e cinza, traços em dependência do
teor de coque residual
0%
18 MJ/kg
Toda a cinza está associada com o coque
Valor considerando um teor de umidade de 25%
Viscosidade
(49ºC e 25% de água)
50 cp
A viscosidade pode mudar entre 20 cSt e 100 cSt (medida a
40ºC) dependendo da matéria-prima, teor de umidade, luz e
envelhecimento
Sólidos (coque)
0,2%
0,1% de base úmida é um bom valor, mas é possível encontrar
1% com frequência
Resíduo da destilação por
vácuo
50%
Não pode ser completamente vaporizado. O aquecimento até
100°C provoca a formação de um resíduo sólido em torno de
50%, e o destilado contém orgânicos voláteis e água
Aparência
Líquido de cor marrom-escura que escoa livremente
Odor
Característico à fumaça
Miscibilidade
A adição de água até 35% de base úmida pode ser tolerada. O
bio-óleo é miscível com solventes polares, como metanol, mas
completamente imiscível com combustíveis derivados de petróleo
cp: Centipoise e cST: CentiStoke.
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 421
A pirólise rápida da biomassa impede a formação de quantidades expressivas de carvão vegetal.
Deste modo, tem-se como média produtos de bio-óleo na faixa de 75 e 25% de carvão vegetal e gás. A
remoção rápida dos vapores de produtos de pirólise do reator à alta temperatura assegura que menos de
10% do bio-óleo é perdido devido às reações de craqueamento. Em aplicações de obtenção de biocombustíveis, tais como o processo BTL, propõe-se a utilização de um reator de pirólise com parafuso duplo.
Neste caso, a pirólise da biomassa acontece por contato da mesma com areia ou outro material inerte à
alta temperatura, com uma relação mássica areia–biomassa na faixa de 1/10.
As unidades de pirólise rápida em estágio-piloto e em demonstração, no mundo, são as seguintes
(BRIDGWATER, 2004; MÉIER, 2006):
• BiothermTM, leito fluidizado borbulhante, Dynamotive, Canadá, capacidade 100 t/dia.
• RTPM, leito fluidizado, Ensyn, Canadá, capacidade 70 t/dia.
• Cone rotativo, BTG, Holanda, capacidade 50 t/dia.
• Bioliq, FZK, Alemanha, capacidade 12 t/dia.
• BTO, PYTEC, Alemanha, capacidade 6 t/dia.
• Fortum, Finlândia, operou até 2003.
• ENEL, Itália, capacidade 15 t/dia, operação intermitente.
A Iowa State University vem realizando um detalhado trabalho de caracterização dos óleos pirolíticos, assim como o estudo das causas e soluções para a degradação deles durante a armazenagem.
Os principais aspectos que limitam a utilização direta dos óleos obtidos por pirólise rapida como
biocombustíveis são (RADLEIN, 2010):
• Resquícios de carvão no bio-óleo.
• Presença de multifases líquidas.
• Envelhecimento.
• Alto índice de acidez.
• Variabilidade das propriedades físico-químicas.
• Estabilidade térmica e durante o armazenamento.
6.3.2 Gaseificação
A gaseificação pode ser definida como o processo de conversão termoquímica de um material sólido
ou líquido (que contém carbono na sua composição) em um combustível gasoso, através da oxidação
parcial a temperaturas elevadas (reações termoquímicas numa faixa de temperaturas de 800 a 1 100°C),
e em pressões atmosféricas ou maiores, até 33 bar. Utiliza-se um agente de gaseificação que pode ser ar,
vapor de água, oxigênio ou uma mistura destes, em quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo
teórico para a combustão).
Segundo Warnecke (2000), a gaseificação pode ser definida como um processo termoquímico localizado em uma região paramétrica entre a combustão e a pirólise. Neste sentido, este processo é entendido
como o tratamento termoquímico que, diferentemente da combustão, não permite a oxidação completa
do carbono e do hidrogênio presentes no combustível em CO2 e H2O, respectivamente, dando origem
a compostos combustíveis, tais como CO, H2 e CH4. Além dos gases mencionados anteriormente, o gás
produzido também inclui produtos típicos de combustão: CO2, H2O, O2 (em quantidades mínimas) e N2
(quando o agente gaseificador é ar), assim como teores menores de hidrocarbonetos, tais como o eteno
(C2H4), o etano (C2H6), entre outros.
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422 BIOCOMBUSTÍVEIS
A figura 6.7 mostra um esquema das etapas do processo de gaseificação de biomassa. A pirólise
constitui a primeira fase do processo, na qual se forma carvão vegetal, alcatrão e gases. Em paralelo, uma
fração pequena da biomassa é oxidada, a fim de elevar a temperatura de reação até valores compreendidos
entre 800 e 1 200ºC, dependendo principalmente da quantidade e do tipo de agente de gaseificação fornecido. Assim, é possível atingir o nível de temperatura adequado, tanto para o desenvolvimento da etapa
de pirólise como para a gaseificação propriamente dita dos produtos gerados na pirólise.
Figura 6.7 Principais etapas da gaseificação da biomassa. Reproduzida com permissão de Knoef (2002). Review
of small-scale biomass gasification. Pyrolysis and Gasification of Biomass and Waste Expert Meeting, Strasbourg,
France, 2002.
O gás produzido num gaseificador, cujo agente de gaseificação é o ar, apresenta um poder calorífico
inferior (PCI) entre 3 e 6 MJ/Nm3, como consequência do efeito de diluição pelo nitrogênio. O mesmo
é conhecido como gás pobre, devido ao seu poder calorífico ser consideravelmente menor que o do gás
natural (quase 10 vezes). Quando se utiliza O2 puro como agente de gaseificação, ou uma mistura O2 e
vapor, é possível obter um gás com PCI na faixa de 10 e 19 MJ/Nm³. O oxigênio tem um custo entre
40,00-60,00 US$/t, e normalmente é utilizado numa taxa de 0,25-0,3 kg/kg de biomassa, a um custo
equivalente a US$10-20 por tonelada de biomassa (WYMAN et alii, 1992).
Os fatores que afetam o desempenho do sistema de gaseificação são:
• A razão de equivalência (comumente conhecida como fator de ar).
• O tipo de agente de gaseificação.
• O tempo de residência, o qual é limitado pela velocidade de fluidização quando o processo é
realizado em reatores de leito fluidizado, e para o caso dos reatores de leito fixo, principalmente
pelo projeto e pela operação da grelha.
• As características da biomassa em termos físico-químicos e energéticos.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 423
• A utilização ou não de catalisadores. Uma descrição das variáveis a considerar no processo de
gaseificação é apresentada a seguir.
6.3.2.1 Variáveis envolvidas no processo de gaseificação
Considerando-se que a gaseificação é um processo de oxidação parcial que é determinado pelas
quantidades de ar e combustível introduzidas ao reator, é possível afirmar que são precisamente estas
as principais variáveis envolvidas no processo. Porém, os diferentes tipos de reatores onde o processo
é desenvolvido, e suas características construtivas, adicionam outros fatores que igualmente exercem
influência no desempenho do processo de conversão termoquímica.
Assim, as variáveis de maior influência sobre a gaseificação de biomassa em leito fixo e fluidizado são:
1. Fator de ar: De acordo com várias pesquisas sobre gaseificação em leito fixo e fluidizado, o fator
de ar, também conhecido como razão de equivalência, é uma das variáveis operacionais mais importantes
na gaseificação com ar (NARVÁEZ et alii, 1996; DOGRU et alii, 2002). Esta variável corresponde ao valor da relação ar–combustível real utilizada durante o processo, dividida pela relação ar–combustível teórica ou estequiométrico, como mostrado na equação 6.1. Desta maneira, o fator de ar define a proporção
de combustível queimado (combustão completa) com relação à quantidade gaseificada (oxidação parcial
e/ou redução). García-Bacaicoa et alii (1994) apresentam o fator de ar como a porcentagem do quociente
entre a relação oxigênio–combustível real e a relação oxigênio–combustível estequiométrica. Tinaut et alii
(2006) e Hernandez et alii (2006) definem o fator de ar como o quociente entre a relação ar–combustível
real e a estequiométrica.
F.A =
(R )
(R )
A/C
real
A/C
est
(6.1)
Onde:
(R )
(R )
A/C
real A/C
est :Relação ar–combustível estequiométrica
: Relação ar–combustível real
A relação ar–combustível estequiométrica em m³ a condições normais de pressão e temperatura por
kg de biomassa, pode ser expressa em função dos dados da análise elementar do combustível (em base
úmida), como apresentado na equação 6.2.
(RA/B)est = 0,0889 × (Cu + 0,375 × Su) + 0,265 × Hu – 0,0333 × Ou
(6.2)
Valores típicos da análise elementar e da relação ar–combustível estequiométrica para eucaliptos,
considerando-se uma umidade de 15% (em base úmida) são apresentados na tabela 6.8.
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424 BIOCOMBUSTÍVEIS
Tabela 6.8 Análise elementar e relação estequiométrica para madeira de eucaliptos com 15% de umidade em base
de trabalho
Análise elementar (base de trabalho)
Biomassa
(R )
C
Hu
Ou
Nu
Su
Pedaços de madeira
48,03
5,98
45,67
0,08
0,00
4,33
Eucaliptos
45,97
5,81
44,42
0,30
0,00
4,15
Blocos de madeira
49,07
5,09
43,45
0,48
0,02
4,26
u
A/C
est
Também, e de acordo com Wander et alii (2004), valores típicos para a relação ar–combustível real,
em unidades pequenas de gaseificação de madeira em leito fixo, estão em torno de 2 e 2,4 kg/kg. De
igual forma, Dogru et alii (2002), para experimentos com biomassa em leito fixo, reportam valores para a
relação ar–biomassa na faixa 1,37 e 1,47 Nm³/kg.
Segundo Narváez et alii (1996), fatores de ar convencionais em gaseificação de biomassa em leito
fluidizado estão compreendidos na faixa de 0,2 e 0,4, o que equivale a dizer que, no processo de gaseificação, cada quilograma de combustível precisa de 20 a 40% da quantidade de ar estequiometricamente
necessária para a combustão.
Em reatores de leito fixo a relação ar–combustível (neste caso, biomassa) depende principalmente
da capacidade de processamento, e, portanto, das características físicas do reator. O fator de ar pode ser
calculado a partir da quantidade total de biomassa consumida no teste, a vazão volumétrica do ar e o
tempo total do teste, conforme mostrado na equação 6.3.
(R )
A/C
•
=
real
Var × t
(6.3)
mbiomassa
Por outro lado, outros autores apresentam como fator-chave a velocidade superficial do agente de
gaseificação (definida como o quociente entre a vazão volumétrica de gás produzida e a área transversal
do reator), para a gaseificação desenvolvida em reatores de leito fixo.
Reed e Das (1988) ressaltam a influência desta variável no comportamento, controle e conteúdo
energético do gás produzido.
2. Temperatura: Do ponto de vista termodinâmico, a temperatura deve estar condicionada principalmente pelas quantidades de ar e combustível que participam na reação, isto é, pelo fator de ar utilizado.
Também, a composição elementar e as características imediatas (voláteis e carbono fixo principalmente)
do combustível a ser gaseificado têm um efeito considerável sobre esta variável. Em todos os casos,
durante o processo, deve-se garantir que a temperatura tenha o valor adequado para que o carbono presente no combustível seja transformado por completo e não se acumule nas cinzas, o que constitui uma
“perda” de energia no sistema. A temperatura tem um efeito considerável sobre a concentração dos compostos combustíveis no gás produzido no processo de transformação termoquímica. Altas temperaturas
favorecem a concentração de H2 e CO, enquanto, a concentração de metano diminui. O anterior está
justificado pelo princípio de Lê Chatelier, segundo o qual maiores temperaturas favorecem os reagentes
nas reações exotérmicas, enquanto nas reações endotérmicas são favorecidos os produtos.
No caso de gaseificadores de leito fixo (tipo cocorrente e contracorrente), a temperatura no interior
do reator pode variar numa ampla faixa (pela heterogeneidade decorrente das reações do processo) dando
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 425
origem a regiões de alta temperatura. Assim, a temperatura do processo pode alcançar valores até de
1 200ºC (BELGIORNO et alii, 2003). No caso dos reatores de leito fluidizado, a temperatura de operação
está limitada pela temperatura de sinterização das partículas que compõem a mistura (inerte, cinzas), a
qual geralmente não supera os 950ºC.
3. Capacidade de produção de gás: Este parâmetro expressa em Nm³ a vazão de gás gerado por
unidade de massa de combustível alimentado ao sistema. A produção de gás tem uma relação diretamente
proporcional com o fator de ar (NATARAJAN et alii, 1998; ZAINAL et alii, 2002) e o tempo de residência dos gases na zona de redução (GARCÍA-BACAICOA et alii, 1994). Valores típicos de produção de
gás, em reatores de leito fixo, estão em torno de 2 Nm³/kg de biomassa, para o caso dos leitos fluidizados
na faixa de 1,8 e 2,5 Nm³/kg.
4. Composição e poder calorífico do gás produzido: Em geral o gás produzido na gaseificação
de biomassa é composto por CO2, CO, CH4, H2O, H2, N2 e poucas quantidades de alcatrão. Assim mesmo, pode conter também algumas quantidades de O2. As concentrações de CO, H2 e CH4 estão condicionadas ao desenvolvimento das reações envolvidas na gaseificação. Dessa forma, o agente de gaseificação
utilizado tem uma influência considerável na composição e no poder calorífico do gás produzido.
5. Eficiência da gaseificação: Este parâmetro pode ser calculado de duas maneiras: a quente e
a frio. A eficiência a quente corresponde ao quociente do somatório entre a energia sensível e química
do gás produzido, e a energia química (poder calorífico) do combustível gaseificado. A eficiência a frio
refere-se somente ao quociente entre a energia química do gás e a energia química do combustível. Para
efeitos de comparação de rendimentos entre gaseificadores, a maioria dos autores prefere considerar a
eficiência a frio, porque esta evita a obtenção de valores equivocados influenciados pelo valor do calor
sensível do gás, que na realidade não é o objetivo mais importante do processo.
Também é preciso considerar o efeito da composição das cinzas no processo de transformação termoquímica, devido ao caráter catalítico dos minerais presentes nela. Segundo Kirubakaran et alii (2007), a
existência de traços de metais nas cinzas resulta em alterações da temperatura de decomposição térmica
da biomassa.
Outro parâmetro importante no desempenho de gaseificadores de leito fixo é o projeto da placa ou
grelha, que sustenta a biomassa em conversão e permite retirar as cinzas produzidas no processo.
Segundo García-Bacaicoa et alii (1994), a grelha permite controlar o tempo de residência da biomassa no gaseificador, assim como regular a taxa de remoção das cinzas. Sendo assim, muitos gaseificadores utilizam mecanismos de vibração acoplados à grelha, os quais são operados numa sequência
programada.
Finalmente, as características próprias do combustível, tais como a granulometria e a umidade, têm
efeitos igualmente importantes no processo de gaseificação. Portanto, a umidade pode afetar consideravelmente a composição do gás combustível dada à redução da temperatura no interior do reator, por causa da
energia requerida para a vaporização da água presente no combustível. Teores de umidade no combustível
inferiores a 20% podem ter uma influência positiva na gaseificação ao intensificar a reação gás/água.
Segundo Jayah et alii (2003), a diminuição da temperatura no reator decorrente da evaporação da
umidade do combustível, reduz a velocidade de reação e também a eficiência do processo. Midilli et alii
(2001) e Dogru et alii (2002) recomendam umidades no combustível inferiores a 25%.
Por outro lado, e segundo Jayah et alii (2003), o tamanho da partícula tem relação diretamente
proporcional com o comprimento da zona de gaseificação (ou de redução). Gaseificadores com
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
426 BIOCOMBUSTÍVEIS
comprimento pequeno da zona de reação precisam de menores tamanhos de partículas. Tamanhos de
partícula menores de 2 mm favorecem o predomínio da reação química no processo de gaseificação,
e não existe uma influência considerável dos fenômenos de transferência de massa e energia
(KIRUBAKARAN et alii, 2007).
Ao mesmo tempo, partículas de maior granulometria apresentam menores taxas de volatilização
e uma maior transferência de calor entre as mesmas e as partículas próximas (RYU et alii, 2006). Igualmente, tamanhos de partícula maiores favorecem a formação de espaços entre as partículas do leito,
assim como o desenvolvimento de canais preferenciais e pontes, que dão origem a flutuações e heterogeneidade na temperatura do reator que levam à formação de altos teores de alcatrão. Neste contexto e
para o caso dos reatores de leito fixo, a granulometria do combustível deve ser o mais uniforme possível
(WARNECKE, 2000).
6.3.2.2 Aspectos cinéticos do processo de gaseificação
Geralmente, durante a modelagem do processo de gaseificação dentre as principais variáveis de
entrada para a realização dos balanços de massa e energia incluem-se: a composição físico-química do
insumo e do agente de gaseificação, a temperatura do meio ambiente e dos insumos preaquecidos, e a
relação ar–combustível a fixar no processo. O balanço de massa da reação química define a composição
de equilíbrio para a reação global. As variáveis de saída podem ser: a composição e o poder calorífico do
gás produzido, eficiência a frio e a quente do processo e vazão e potência térmica do gás, entre outras.
O processo de gaseificação pode ser descrito por um conjunto de reações químicas sendo que estas
ocorrem em diferentes regiões do gaseificador (para o caso dos reatores de leito fixo) ou simultaneamente
em todo o volume do mesmo (para o caso dos reatores de leito fluidizado). Nas equações 6.4 a 6.13 são
apresentadas as principais reações químicas de cada uma das etapas do processo de gaseificação.
I. Pirólise
Biomassa + Calor Þ Coque + Gases + Alcatrão + Condensáveis
(6.4)
II. Oxidação do carbono
1
C+
O2 Û CO (Reação rápida)
(6.5)
C + O2 Û CO2 (Reação rápida)
(6.6)
2
III. Gaseificação
• Reações heterogêneas
Reação de Boudouard
C + CO2 Û 2CO
(6.7)
Reação de gás–água ou reação carbono–vapor
C + H2O Û CO + H2
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(6.8)
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 427
Reação de formação de metano
C + 2H2 Û CH4
(6.9)
• Reações homogêneas
Reação de shift, água/gás
CO + H2O Û CO2 + H2 (Reação rápida)
(6.10)
CH4 + H2O Û CO + 3H2
(6.11)
IV. Craqueamento do alcatrão
Alcatrão + vapor + calor Þ CO + CO2 + CH4 + H2 + H2O
(6.12)
V. Oxidação parcial dos produtos da pirólise
(CO + CH4 + H2) + O2 Û CO2 + H2O
(6.13)
O agente oxidante é utilizado na combustão de parte do carbono contido na biomassa como mostra
a equação 6.5. As equações 6.8 e 6.10 são favorecidas com a utilização de vapor de água como agente de
gaseificação ou acontecem num posterior processo de reforma. A equação 6.12, o craqueamento térmico
da biomassa, explica por que reatores com maior temperatura de operação se caracterizam por menores
teores de alcatrão no gás. A secagem da biomassa, até valores de 10-15%, é importante para uma alta
eficiência de gaseificação. Caso contrário, parte da energia liberada pela equação 6.6 seria consumida na
secagem.
De acordo com Cousins (1978), o estudo teórico da gaseificação pode ser realizado a partir de
duas abordagens: a termodinâmica (estequiométrica) e a cinética. A primeira abordagem permite obter
informação sobre a concentração do gás produzido (e outras variáveis, como poder calorífico, potência,
eficiência, etc.), a partir de dados referentes à composição do combustível e do agente de gaseificação. A
segunda abordagem permite o cálculo da velocidade das reações envolvidas e a determinação das taxas
de formação dos produtos.
Susanto et alii (1996), Zainal et alii (2001) e Melgar et alii (2007) reportam resultados de estudos teóricos da modelagem do processo de gaseificação em leito fixo tipo cocorrente, desenvolvidos a partir da
abordagem termodinâmica. Geralmente, estes modelos consideram um esquema zero dimensional (caixa
preta), baixo critério de equilíbrio químico e de minimização da energia livre de Gibbs.
Os reatores de leito fluidizado (borbulhantes e circulantes), que por sua vez podem ser atmosféricos
ou pressurizados, são mais complexos na sua modelagem. Vale a pena destacar os trabalhos do Professor Márcio de Souza-Santos do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de
Campinas no desenvolvimento do simulador CSFMB (Comprehensive Simulator of Fluidized and Moving Bed
Equipments). Outras alternativas são a utilização do ASPEN PLUS™ e técnicas de mecânica dos fluidos
computacional (CFD), como ferramentas para a modelagem destes sistemas.
De acordo com Susanto et alii (1996), a abordagem termodinâmica deve incluir a modelagem das
reações homogêneas e heterogêneas que ocorrem na gaseificação. Segundo Levenspiel (1987), um sistema
homogêneo é aquele onde todas as sustâncias envolvidas na reação se encontram numa fase só: gasosa,
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428 BIOCOMBUSTÍVEIS
líquida ou sólida, enquanto o sistema heterogêneo considera a presença de duas fases. Na tabela 6.9 são
apresentadas as reações químicas e as equações para a determinação das constantes de equilíbrio (a partir
dos parâmetros cinéticos) utilizadas no modelo da gaseificação (considerando uma pressão no reator
igual à pressão de referência).
Segundo Cousins (1978) existe um número considerável de reações possíveis entre os gases formados na zona de reação do gaseificador (CO, CO2, CH4, H2, H2O e N2), embora as reações heterogêneas
de Boudouard, shift e de formação de metano apresentem uma representatividade considerável na descrição do processo. Cousins (1978) determinou aplicando o modelo heterogêneo mostrado na tabela 6.9
incluindo dados referentes à análise elementar da biomassa, balanços de massa e uma série de considerações iterativas, a composição do gás produzido (CO, CO2, CH4, H2, N2) em função da temperatura de
reação. Isto para o caso da gaseificação de madeira em leito fixo cocorrente (figura 6.8).
Tabela 6.9 Modelos termodinâmicos e constantes de equilíbrio químico. Reproduzido de Susanto e Beenackers
(1996). A moving-bed gasifier with internal recycle of pyrolysis gas. Fuel, 75(11):1.339-1.347. Copyright Elsevier
1996
Modelo homogêneo
Modelo heterogêneo
C + CO2 Û 2CO
kB = Reação de Boudouard
kB = 1,222 × 109 × e
O + H2O Û CO2 + H2
Reação homogênea de
gás d’água ou reação de
shift
ks = 1
C + H2O Û CO + H2
Reação heterogênea de
gás d’água ou reação
de shift
ks = 2
ks = 3,098 × 107 × e
2
ks = 0,0265 × e
1
C + 2H2 Û CH4
Reação de formação de
metano
k = M
kM = 1,472 × 10–6 × e
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×P
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 429
Figura 6.8 Efeito da temperatura de reação na composição do gás combustível utilizando um modelo heterogêneo.
Reproduzida de Cousins (1978). A theoretical study of wood gasification processes. New Zealand Journal of Science,
21(2):175-183.
Zainal et alii (2001), seguindo a mesma metodologia de equilíbrio químico apresentada por Cousins
(1978), porém considerando unicamente a reação de formação de metano e a reação homogênea de gás
d’água ou reação de shift, predisseram a composição do gás num gaseificador de leito fixo tipo cocorrente
para diferentes biomassas, em função da sua umidade e da temperatura de reação. A figura 6.9 mostra o
efeito do conteúdo de umidade na composição dos gases.
Figura 6.9 Efeito da umidade na gaseificação de madeira em leito fixo tipo cocorrente a uma temperatura de reação
de 800ºC. Reproduzido com permissão de de Zainal et alii (2001). Prediction of performance of a downdraft gasifiers
using equilibrium modeling for different biomass materials. Energy Conversion and Management, 42(12):1.4991.515. Copyright Elsevier, 2001.
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430 BIOCOMBUSTÍVEIS
Por outro lado, Melgar et alii (2007), considerando a diminuição da energia livre de Gibbs, e levando
em conta apenas a reação homogênea de gás d’água e a reação de formação de metano, obtiveram bons
resultados na predição das concentrações dos gases gerados na gaseificação de biomassa em leito fixo
cocorrente. Neste caso, a temperatura de reação foi determinada mediante um balanço de energia, sendo
a composição do gás determinada em função da relação combustível–ar. Na figura 6.10 é apresentado o
efeito da relação combustível–ar na composição do gás (teores de CO, CO2, H2 e CH4).
Geralmente, durante a modelagem e predição da composição do gás de gaseificação em um reator
de leito fixo tipo cocorrente, é desprezada a formação dos compostos de alcatrão dado às baixas concentrações dos mesmos no gás neste tipo de reatores. De igual forma assume-se que o tempo de reação
é o suficiente para estabelecer o equilíbrio químico. Também é considerada a conversão total do carbono
presente no combustível, desprezando-se a formação de coque no processo.
Figura 6.10 Efeito da relação combustível–ar na gaseificação de madeira em leito fixo tipo concorrente com 18% de
umidade. Reproduzido com permissão de Melgar et alii (2007). Thermochemical equilibrium modelling of a gasifying
process. Energy Conversion and Management, 48(1):59-67. Copyright Elsevier, 2007.
6.3.2.3 Tipos de gaseificadores
O gaseificador é o reator no qual acontece a conversão termoquímica da biomassa em gás. De um
modo geral, é possível afirmar que existem seis tipos principais de gaseificadores: de leito fixo contracorrente, de leito fixo cocorrente, de leito fixo tipo fluxo cruzado, de leito fluidizado borbulhante (LFB), de
leito fluidizado circulante (LFC) e de leito arrastado. Ao mesmo tempo todos eles podem ser de aquecimento direto ou indireto. A classificação baseia-se na direção relativa do fluxo de biomassa e do agente
de gaseificação, e na forma de fornecimento de calor ao reator. A tabela 6.10 resume as características
das configurações mais comumente usadas. A figura 6.11 mostra esquemas dos diferentes tipos de gaseificadores. As faixas de potências térmicas de aplicação dos diversos tipos de reatores são diferentes,
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 431
como mostrado na figura 6.12, atendendo às suas características construtivas e de operação, assim como
a possibilidade e a facilidade de escalonamento de cada tecnologia.
Tabela 6.10 Classificação dos diferentes tipos de reatores para o desenvolvimento da gaseificação. Adaptada
de Ciferno e Marano (2002). Benchmarking biomass gasification technologies for fuels, chemicals and hydrogen
hydrogen pro­duction. U.S. Department of Energy (DOE). National Energy Technology Laboratory
Tipo de reator
Direção de fluxo
Fonte de calor
Combustível
Gases
Leito fixo contracorrente (Updraft)
Descendente
Ascendente
Combustão do resíduo de carbono
Leito fixo cocorrente (Downdraft)
Descendente
Descendente
Combustão parcial dos voláteis
Leito fluidizado borbulhante e circulante
Ascendente
Ascendente
Combustão parcial dos voláteis e
do resíduo de carbono
a)
b)
d)
e)
c)
f)
Figura 6.11 Tipos de gaseificadores: a) Contracorrente (updraft); b) Cocorrente (downdraft); c) De duplo estágio;
d) Fluxo Cruzado Cross-flow; e) Leito fluidizado borbulhante; f) Leito Fluidizado Circulante. Adaptado de McKendry
(2002); Bhattacharya et alii (1999); Olofsson (2005).
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432 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.12 Faixas de potência térmica características dos diferentes tipos de gaseificadores. Reproduzida com
permissão de Altener (2002). The future for biomass pyrolysis and gasification: status, opportunities and policies
for Europe.
Gaseificadores em leito fixo
A gaseificação em leito fixo também é chamada de gaseificação em leito móvel devido ao fato de
que em operação contínua, na medida em que o combustível é alimentado e as cinzas retiradas, o leito
move-se do topo para o fundo do reator. A mesma pode ser classificada de acordo com o movimento
relativo do fluxo gasoso através do reator em corrente ascendente (updraft) ou descendente (downdraft).
Também pode ser classificada de acordo com a direção relativa do fluxo do combustível a ser transformado (neste caso, biomassa) e o do gás gerado. Sendo assim, o processo pode ser considerado como
gaseificação em contracorrente, cocorrente e em fluxo cruzado (cross-flow). Porém, é comumente aceito
que a gaseificação em correntes ascendente e descendente seja chamada de contracorrente e cocorrente, respectivamente. Em geral, os reatores de leito fixo são eficientes trabalhando com combustíveis de
alta densidade e granulometria grossa.
Nos gaseificadores de leito cruzado, o combustível é fornecido pela parte superior do reator, enquanto o agente de gaseificação é alimentado por uma das paredes laterais. O gás gerado sai por um duto
localizado na parede oposta. As zonas de combustão e gaseificação (ou redução) estão próximas à entrada
do ar e à saída do gás. As cinzas são removidas pela parte inferior do reator. O equipamento possui relativa simplicidade de construção. Porém, o gás gerado apresenta um teor considerável de alcatrão sendo a
produção de energia térmica sua aplicação mais adequada.
No gaseificador contracorrente, o fluxo de gás gerado escoa em sentido contrário à alimentação
de biomassa, a qual é feita pela parte superior do reator. O combustível a ser gaseificado é submetido
aos processos de secagem, pirólise, redução e combustão, enquanto os gases gerados são direcionados
à saída do reator localizada na parte superior do mesmo. Esta configuração se caracteriza pelo fato dos
gases gerados terem um alto teor de alcatrão, sendo assim considerável a eficiência térmica do processo.
Geralmente a aplicação deste tipo de reatores concentra-se na produção de energia térmica por meio da
oxidação dos gases gerados na gaseificação.
Na gaseificação em leito fixo tipo cocorrente, o combustível é fornecido pela parte superior e o
agente de gaseificação se movimenta em sentido descendente, podendo ser alimentado por dutos localizados nas paredes laterais do reator ou pela parte superior do mesmo. A principal vantagem deste tipo de
reator é o baixo teor de alcatrão no gás produzido, devido ao craqueamento do mesmo ao passar pelas
regiões de alta temperatura do processo (zona de combustão).
As características construtivas deste tipo de reator têm efeitos adicionais na qualidade do gás combustível. Sendo assim, o reator pode ter uma redução do diâmetro interno (garganta) na região da zona
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 433
de combustão, que favorece o craqueamento do alcatrão. Nesta zona se posicionam os injetores de ar,
arranjados de maneira a distribuir o oxidante da forma mais uniforme possível e poder garantir que seja
atingida uma temperatura adequada em toda a seção, para o craqueamento dos alcatrões.
Segundo García-Bacaicoa et alii (1994), o projeto da garganta e em geral da zona de combustão,
pode ser realizado a partir do fluxo superficial de biomassa na faixa de 0,05 a 1 kg/s.m2. Usualmente o
gaseificador de leito fixo cocorrente com garganta é conhecido pelo termo Imbert, em homenagem a seu
criador Georges Imbert no ano 1920.
Por outro lado, é possível encontrar modelos de gaseificador cocorrente sem redução do diâmetro
interno, nos quais o conteúdo de alcatrão no gás gerado é maior em comparação com o reator com
garganta. Neste caso, a probabilidade na formação de canais preferenciais, pontes internas e/ou vácuos,
quando se utilizam combustíveis de baixa massa específica, diminui. Além disso, quando o fornecimento
do ar é efetuado pela parte superior do reator, mantendo aberto o topo do mesmo, o sistema é comumente conhecido pelos termos em inglês, Specific Gasification Rate.
Para este tipo de configuração, alguns autores apresentam como variável importante de otimização
e de escala, a relação entre a vazão mássica de combustível e a área do reator, à qual dão o nome de taxa
específica de gaseificação ou SGR por suas siglas em inglês: specific Gasification Rate.
Jain e Goss (2000) encontraram como valor ótimo 192,5 kg/h.m2 (0,0534 kg/s.m2), para a gaseificação de casca de arroz em leito fixo tipo cocorrente. Da mesma forma, Singh et alii (2006), em experimentos com castanha de caju, encontraram como valor ótimo 167 kg/h.m2 para uma eficiência de
gaseificação de 70%.
Como principais desvantagens dos gaseificadores tipo cocorrente estão as limitações de escala (segundo REED e DAS, 1988) devido às dificuldades na distribuição homogênea do agente gaseificante na
zona de oxidação de reatores de grande diâmetro e à decorrente não homogeneidade da temperatura. A
capacidade máxima permissível reportada na literatura é bastante heterogênea, com valores desde 1 MWt
(KLEIN, 2002) e 1,5 MWt (MANIATIS, 2001) até 5,0 MWt (KNOEF, 2002). Para reatores com garganta, Beenackers (1998) indica uma capacidade máxima de 1 MWe.
O combustível a ser gaseificado também precisa de tamanhos de partículas adequados, com o intuito
de evitar dificuldades com a circulação e o aumento da queda de pressão no interior do reator. Drogru et
alii (2002) recomendam como tamanho de partícula máximo a ser usado num gaseificador tipo cocorrente, o correspondente a um oitavo do diâmetro da garganta do reator.
De modo geral, é possível afirmar que os reatores de leito fixo apresentam uma considerável eficiência
e podem trabalhar com combustíveis de alta massa específica e granulometria grosseira. Embora os
reatores co-correntes sejam considerados por muitos, como a tecnologia de gaseificação mais satisfatória
para a obtenção de energia mecânica, quando acoplados a MACI, devido aos baixos teores de alcatrão no
gás (JAIN e GOSS, 2000; TINAUT et alii, 2006). Segundo Bhattacharya et alii (2001), a concentração de
alcatrão no gás produzido a partir da gaseificação de biomassa em leito fixo, está na faixa de 10 a 100 g/m3
e de 50 a 500 mg/m3 para gaseificadores tipo contracorrente e cocorrente, respectivamente.
Gaseificadores de duplo estágio
A gaseificação com dois estágios pode fazer referência a dois processos com características diferentes. Segundo Devi et alii (2003), ambas as definições fazem parte de um método primário a fim de prevenir a formação ou converter o alcatrão no gaseificador em produtos gasosos.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
434 BIOCOMBUSTÍVEIS
O primeiro tipo de gaseificador de duplo estágio, em contraste com os gaseificadores de leito fixo
cocorrente (com e sem garganta) e de leito cruzado, onde a pirólise e a gaseificação propriamente dita são
desenvolvidas num único reator, possui duas câmaras de reação separadas. Assim, no primeiro estágio é
promovida a liberação dos voláteis contidos na biomassa (pirólise) por meio de aquecimento externo, e
no segundo estágio ocorre a gaseificação do carbono (coque) obtido na etapa inicial. Os voláteis produzidos no estágio de pirólise podem ser oxidados para fornecer o calor necessário do processo, ou também
ser direcionados para o estágio de gaseificação a fim de serem parcialmente oxidados. Na figura 6.13,
apresenta-se um esquema geral do processo. Segundo Devi et alii (2003), este método foi inicialmente
desenvolvido e amplamente estudado pela Universidade Técnica da Dinamarca (Technical University of
Denmark).
Figura 6.13 Esquema geral da gaseificação com duplo estágio de reação.
A gaseificação com duplo estágio pode também fazer referência à alimentação do agente de gaseificação em dois pontos diferentes do reator. Sendo assim, num primeiro estágio, o agente de gaseificação é
alimentado a fim de queimar parcialmente o combustível sólido a ser transformado. Desta forma, é gerada a energia para as etapas de secagem e pirólise que ocorrem acima da zona de combustão, assim como
para as reações endotérmicas da gaseificação. O segundo estágio de fornecimento de ar tem como principal finalidade a oxidação do alcatrão a fim de reduzir sua concentração até um valor mínimo permissível,
assim como o desenvolvimento de algumas reações de reforma catalítica de vapor de H2O e CO2.
Geralmente, o primeiro estágio está localizado na parte superior do reator, enquanto o segundo
se situa na parte central do mesmo. Na figura 6.14, apresenta-se um esquema geral da gaseificação com
duplo estágio de alimentação do agente de gaseificação. Este processo foi amplamente estudado no Instituto Asiático de Tecnologia (Asian Institute of Technology ), na Tailândia. Também é objeto de pesquisa
do Núcleo de Excelência em Geração Térmica e Distribuída (NEST) da Universidade Federal de Itajubá
(UNIFEI).
Segundo Devi et alii (2003), o bom desempenho deste tipo de gaseificador depende fortemente
da estabilidade da zona de pirólise, a qual é controlada pelo balanço entre o movimento descendente
do sólido e a propagação ascendente da chama da zona de combustão. Se as partículas de biomassa se
movimentam mais rápido que a chama, a zona de pirólise alcança o segundo ponto de fornecimento
de ar fazendo com que todo o sistema se comporte como um gaseificador convencional. O controle
da propagação da chama é realizado ajustando-se o fluxo de ar fornecido no segundo estágio (DEVI et
alii, 2003).
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 435
Figura 6.14 Esquema geral da gaseificação com duplo estágio de alimentação do agente de gaseificação.
Gaseificadores de leito fluidizado
Este tipo de gaseificador não apresenta zonas diferenciadas de reação como nos reatores de leito fixo.
Os reatores de leito fluidizado têm um leito isotérmico que opera usualmente em temperaturas na faixa
de 700-900oC. Os principais tipos de gaseificadores de leito fluidizado são: de leito borbulhante (bubbling
bed) e de leito circulante (circulating bed) e podem ser atmosféricos ou pressurizados (BELGIORNO et alii,
2003; KLEIN, 2002).
Segundo Ramírez e Martínez (2007), a fluidização é uma operação em que um sólido é colocado
em contato com um fluxo de gás, de tal forma que o mesmo adquire características similares às dos
fluidos. Um reator de leito fluidizado consiste em uma câmara de reação que contém partículas inertes
suportadas por uma placa distribuidora e mantidas em suspensão por um fluido que atravessa o reator
em sentido ascendente. No caso especial da gaseificação de combustíveis sólidos, utilizam-se exclusivamente compostos gasosos como meio fluidizante. Para a biomassa, um gaseificador operando em
condição de leito fluidizado apresenta vantagens consideráveis, dentre as quais pode-se destacar à alta
taxa de conversão de carbono em gás energético devido às elevadas eficiências dos mecanismos de
transferência de calor e massa, além da uniformidade da temperatura ao longo do reator. As principais
vantagens e desvantagens de um sistema de gaseificação em leito fluidizado borbulhante para biomassa
se apresentam na tabela 6.11.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
436 BIOCOMBUSTÍVEIS
Tabela 6.11 Vantagens e desvantagens da gaseificação de biomassa em leito fluidizado. Reproduzida com permissão
de Ramírez e Martínez (2007). Experimentos de gasificación con cascarilla de arroz colombiana en lecho fluidizado.
Colección Monografias y Tesis, Medellín Editorial Universidad Pontificia Bolivariana, 183 p.
Vantagens
Desvantagens
• Alta flexibilidade em relação à taxa de alimentação do • A temperatura do leito está limitada pela temperatura
combustível
de sinterização das cinzas
• Alta capacidade volumétrica
• Pode existir alta concentração de partículas no gás
• Fácil controle da temperatura do leito
• Baixas emissões de NOx e SOx
• Operação com ampla variedade na composição do
combustível (alto conteúdo de cinzas e umidade)
produzido com altos teores de carbono nas cinzas
• Possíveis problemas com o alcatrão durante o
resfriamento do gás até temperaturas relativamente
baixas
Gaseificadores de leito fluidizado borbulhante são típicos de aplicações de escala mediana. Por outro
lado, os gaseificadores de leito fluidizado circulante são de fácil escalonamento e típicos de grandes capacidades, tanto para aplicações de gaseificação como de combustão. A tabela 6.12 apresenta algumas questões importantes que devem ser consideradas durante o projeto e operação destes tipos de equipamentos.
Tabela 6.12 Considerações de projeto e operação de gaseificadores de leito fluidizado
Tipo de gaseificador
Considerações
Leito fluidizado
borbulhante
– Altura do leito em gaseificadores em operação, geralmente na faixa de 500-600 mm
(deve-se ter cuidado com fenômenos fluido-dinâmicos como o escoamento vertical
em regime de bolhas (slugging)
– Alimentação de biomassa um pouco acima da placa distribuidora
– Granulometria do inerte na faixa de 300-500 μm
– Fator de ar: 0,2-0,4
Leito fluidizado circulante
–
–
–
–
–
Ar secundário injetado acima do leito denso na base (20 %)
Fator de ar: 0,2-0,3
Velocidade superficial do gás: 5-8 m/s
Altura do riser: 6-12 metros
Granulometria do inerte na faixa de 300-500 μm
Gaseificadores de leito arrastado
Foram inicialmente desenvolvidos para aplicações de gaseificação de coque de petróleo e carvão
mineral em plantas IGCC (Integrated Gasification Combined-Cycle) de grande capacidade. Os gaseificadores já
testados foram projetados pelas Empresas Destec, Lurgi, Shell e Texaco (figura 6.15). Estes equipamentos geralmente utilizam o combustível na forma de gás, pó ou em estado líquido (lama, slurry em inglês),
exigindo a adequação da biomassa a uma granulometria muito fina ou inclusive a estado líquido por meio
de uma pirólise prévia.
Segundo Olofsson et alii (2005), o combustível é usualmente transportado por uma mistura de O2
e vapor de H2O, e gaseificado em temperaturas superiores a 1 200oC e pressão acima de 20 bar. O processo de gaseificação ocorre durante o transporte pneumático dos materiais que compõem a mistura,
que pode ser tanto em sentido ascendente (quando o combustível é fornecido pelos extremos laterais do
reator), como em sentido descendente (quando o combustível é fornecido pelo topo do reator). A cinza
é removida em estado líquido e o alcatrão é completamente craqueado garantindo a produção de um gás
de síntese de alto poder calorífico e sem hidrocarbonetos pesados. Os gaseificadores de leito arrastado
apresentam potencialidade na transformação termoquímica dos resíduos líquidos provenientes da indústria do papel (licor negro).
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 437
Figura 6.15 Tecnologias de gaseificação em leito arrastado: a) DESTEC; b) LURGY; c) SHELL; d) TEXACO.
Reproduzida de Berger (2003). Gasification of biomass to generate renewable hydrogen – conventional and new
approaches. Sino-German Workshop on Energy Utilization of Biomass, Beijing, 2003.
A maior dificuldade na utilização deste tipo de tecnologia com biomassa está no alto custo da trituração da mesma até a granulometria requerida (por causa da baixa densidade da biomassa e alto consumo
de energia). O gás possui também uma grande quantidade de calor sensível (devido às altas temperaturas
do processo), necessitando-se de caldeiras de recuperação e de turbinas a vapor, com o intuito de aproveitar a energia remanescente e garantir uma maior eficiência global do sistema. As soluções propostas são
a torrefação antes da moenda ou a conversão da biomassa em bio-óleo e/ou coque (a partir da pirólise) a
fim de garantir a granulometria requerida de partículas ou gotas na entrada do gaseificador.
Do ponto de vista da fonte de calor utilizada para sustentar termicamente o processo, pode-se ter
gaseificadores de aquecimento direto (autotérmicos) ou de aquecimento indireto (alotérmicos), como
mostrado na figura 6.16. No caso do aquecimento direto, parte da biomassa é queimada para fornecer o
calor que requer a etapa inicial de pirólise e, por isso, trabalha-se em condições subestequiométricas com
um fator de ar de 0,2 a 0,4. A elevada temperatura da zona de combustão permite o craqueamento do
alcatrão, porém quando utiliza-se o ar como agente de gaseificação, o N2 do mesmo dilui o gás resultante,
levando à redução do seu poder calorífico. O processo alotérmico pode ser considerado na sua essência
como uma variante do processo de pirólise, devido ao fato de o calor ser fornecido de forma indireta.
Os gaseificadores e o gás resultante do processo possuem características específicas dependendo da
tecnologia empregada. A aplicação do produto final, as condições operacionais e a qualidade requerida
do gás são fatores que determinam o tipo de gaseificador que deve ser empregado. A tabela 6.13 apresenta algumas características operacionais para cinco tipos de gaseificadores.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
438 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.16 Classificação dos gaseificadores atendendo à forma de fornecimento de calor. Reproduzida com
permissão de Hofbauer (2008). Fischer-tropsch-fuels and bio-SNG. Central European Biomass Conference, 16 a 19
de janeiro de 2008.
Tabela 6.13 Condições operacionais dos gaseificadores. Adaptada de Olofsson (2005). Initial review and evaluation
of process technologies and systems suitable for cost-efficient medium-scale gasification for biomass to liquid fuels.
University of Umeå. Março de 2005
Tipo de gaseificador
Biomassa
Limite para scale up
(t biomassa/dia)
base seca
Leito fixo
Leito fluidizado
Contracorrente
Cocorrente
Fluxo cruzado
Madeira
Madeira
Madeira
Borbulhante
Madeira
Circulante
Madeira
Na realidade não existe
limitações para o scale up. A
faixa de potência depende da
viabilidade econômica do projeto
3,5 a 5 (ar),
e 5-13 (O2 e
4 a 7 (ar)
vapor)
<10
<15
<1
4 a 5 (ar)
5 (ar)
–
Conteúdo de alcatrão no
gás (mg/Nm3)
35 000
500-1 000
Alto
Agente de gaseificação
Usualmente ar
Ar, oxigênio,
vapor
Usualmente ar
Atmosférica
Atmosférica
Atmosférica
1 a 35
1 a 19
300-1 000
300-1 000
300-1 000
650-950
800-1 000
PCI
(MJ/Nm3)
Pressão, bar
Temperatura, C
o
13 500
Baixo
Ar, oxigênio, vapor de água
Outro parâmetro importante a considerar no projeto e seleção de um gaseificador é a pressão de
operação do mesmo. Altos valores deste parâmetro, opção preferencial em sistemas de alta capacidade,
levam ao acréscimo do poder calorífico do gás como consequência do favorecimento das reações que
acontecem com redução do número de moles, como é o caso da reação de formação do CH4. Outro fator
a considerar é que não se precisa de compressor a jusante do gaseificador (booster), para a pressurização do
gás até a pressão requerida pelos processos de síntese ou conversão energética. Por outro lado, o custo do
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 439
equipamento aumenta para sistemas de pequena escala. Um elemento crítico em sistemas pressurizados
é a alimentação da biomassa ao reator.
As tabelas 6.14 e 6.16 resumem informações sobre a influência do tipo de agente de gaseificação na
composição do gás obtido e o desempenho do gaseificador. A figura 6.16 mostra os dados da composição
do gás de síntese quando utiliza-se ar como agente de gaseificação, observando-se apenas pequenas variações para diferentes tipos de gaseificadores (tabela 6.16). Nos gaseificadores cocorrentes (leito fixo), o craqueamento do alcatrão na garganta do mesmo leva à produção de um gás de melhor qualidade.
Tabela 6.14 Vantagens e dificuldades técnicas da gaseificação com diferentes agentes de gaseificação. Adaptada
de Wang et alii (2008); Tijmensen (2000)
Agentes de
Vantagens
Dificuldades técnicas
gaseificação
– Baixo custo. É o mais barato
– Combustão parcial da biomassa para
fornecimento da energia necessária ao
Ar
processo
– Baixo poder calorífico do gás
– Teor de particulados e de alcatrão moderados dependentes do tipo de gaseificador
– Requer fornecimento de calor externo (gerador de
vapor)
– Alto poder calorífico do gás
Vapor
– Acrescimento do teor de alcatrão no gás produzi– Alto teor de H2 no gás
do e necessidade de limpeza catalítica
– O gás de síntese não é diluído por ni– Necessidade de planta de separação de ar
trogênio
– Altas temperaturas de gaseificação (a mistura
– Ausência do alcatrão no gás produzido
com vapor pode-se usar para controlar o valor da
Oxigênio
como consequência das altas temperamesma no processo)
turas de operação
– Geralmente o uso de oxigênio puro é considerado
– Permite a gaseificação de biomassa em
apenas em gaseificadores de leito arrastado
estado líquido
– Requer aquecimento indireto
Dióxido de
– Altos valores do poder calorífico do gás – Requer limpeza catalítica do gás
– Requer altas temperaturas para que o CO2 possa
– Altos valores de H2 e CO no gás
carbono
ter reatividade
– Limpeza do gás in situ. A maior parte do
CO2 e de outros poluentes como H2S,
Água
NH3 e HCl ficam retidos na fase líquida – Tecnologia recente, ainda precisa de muito esfor– Alto teor de hidrogênio no gás (> 50%)
ço de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D)
supercrítica
– Permite a gaseificação de biomassa em
estado líquido
Tabela 6.15 Composição do gás de síntese para diferentes tipos de agente de gaseificação. Adaptada de Berger
(2003); Leible et alii (2007); Paisley et alii (2004); Stahl et alii (2004); GUO (2007)
Aquecimento
80% O2
O2 +
O2, Leito
Água
1
indireto ou
Componente
Ar1
Vapor
arrastado4
supercrítica5
+ ar1
vapor2
3
alotérmico
CO, % em vol.
10-20
40-50
25-47
38,0
47,0
45-47
1
H2, % em vol.
9-20
9-17
35-50
28,0
18,0
20-22
40
CH4, % em vol.
1-8
<1
14-25
8,6
14,9
< 0,1
10
CO2, % em vol.
10-20
19-25
9-15
21,2
14,3
18-20
43
N2, % em vol.
40-55
15-30
2-3
–
–
14-16
–
PCI, MJ/Nm , base seca
4-6,5
7-9
12-17
3
16,8
1 – Berger (2003); 2 – Leible et alii (2007); 3 – Paisley et alii (2004) (C2H6=1,1 e C2H4=4,7%); 4 – Stahl et alii
(2004); 5 – GUO (2007).
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440 BIOCOMBUSTÍVEIS
Tabela 6.16 Composição do gás de síntese para diferentes tipos de gaseificadores de biomassa que utilizam ar
como agente de gaseificação. Reproduzida de Kaltschmitt e Hartmann (2001). Energie aus Biomassa
Leito fixo
contracorrente
Leito fixo
cocorrente
Leito fluidizado
circulante
CO, % em vol.
15-20
10-22
13-15
H2, % em vol.
10-14
15-21
15-22
CH4, % em vol.
2-3
1-5
2-4
CO2, % em vol.
8-10
11-13
13-15
3,7-5,3
4,0-5,6
3,6-5,9
Parâmetro
PCI, MJ/kg
Base seca
Altos teores de H2 e CO são possíveis apenas quando se utiliza vapor e/ou oxigênio ou água supercrítica ou ainda em gaseificadores de aquecimento indireto. A gaseificação com água supercrítica (pressão
acima de 221 bar e temperatura superior a 374ºC) é uma nova tecnologia ainda em desenvolvimento que
permite a obtenção de um gás com alto teor de hidrogênio. A mesma acontece sem a participação de
oxidantes e os produtos gasosos são facilmente separados da água por resfriamento (BTG, 2008).
6.4 TECNOLOGIAS E PROCESSOS DE LIMPEZA E CONDICIONAMENTO PARA GÁS
DE SÍNTESE
Segundo Devi et alii (2003), atualmente as pesquisas no tema de limpeza de gases para o gás proveniente da gaseificação de biomassa estão centralizadas na remoção do material particulado e dos alcatrões
igualmente gerados no processo de transformação termoquímica. Estes últimos são definidos como uma
mistura complexa de hidrocarbonetos condensáveis, que por suas características químicas e físicas, não
são admissíveis em aplicações diretas em máquinas térmicas (MACI e/ou TG).
Segundo Devi et alii (2003), na reunião para a discussão do protocolo de medição do teor de alcatrão,
celebrada em Bruxelas em 1998, foi definido como alcatrão todo aquele poluente orgânico com peso
molecular maior do que o benzeno (C6H6), isto é, maior do que 78 g/mol.
Em geral, a tolerância na presença de alcatrões no gás produzido depende da utilização posterior
do gás. Por exemplo, quando a produção de gás tem como único fim a geração de calor por combustão
direta, a limpeza não é necessária (FERNANDES, 2004).
Para aplicações em MACI, é indispensável a utilização de dispositivos de limpeza a fim de remover
ou transformar os alcatrões e o material particulado presente na mistura gasosa. Desta forma, é possível
garantir o adequado funcionamento da máquina térmica (o alcatrão pode obstruir as válvulas de injeção
do motor, assim como erodir e corroer as paredes do pistão, entre outros).
A natureza e o teor das impurezas presentes no gás de síntese dependem das características do processo de gaseificação (principalmente do tipo de reator) e do tipo de biomassa utilizada (biomassas com
alto teor de voláteis podem favorecer uma maior formação de alcatrão). Como mencionado, processos de
limpeza e condicionamento devem ser implementados para adequar as características e a qualidade do gás
de síntese à sua utilização prevista. Os gaseificadores do tipo cocorrente produzem um gás com menor teor
de alcatrão se comparado aos do tipo contracorrente e aos de leito fluidizado, como mostra a tabela 6.17.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 441
Tabela 6.17 Qualidade do gás em função do tipo de gaseificador. Reproduzida de Stevens (2001). Hot gas
conditioning: recent progress with larger-scale biomass gasification systems. Update and Summary of recent
Progress. National Renewable Energy Laboratory (NREL)
Particulados
(g/Nm3)
Tipo de gaseificador
Alcatrão
(g/Nm3)
Mín.
Máx.
Faixa representativa
Mín.
Máx.
Faixa representativa
0,01
10
0,1-0,2
0,04
6
0,1-1,2
0,1
3
0,1-1,0
1
150
20-100
Leito
fixo
Cocorrente
Leito
fluidizado
Borbulhante
1
100
2 a 20
<0,1
23
1 a 15
Circulante
8
100
10 a 35a
<1
30
1 a 15a
Contracorrente
A escolha do sistema de limpeza dos gases depende de uma série de fatores, tais como a eficiência
de remoção requerida, o custo operacional e de investimento, o espaço disponível e as características do
gás produzido (temperatura e pressão), entre outros.
A tabela 6.18 mostra as principais impurezas a remover durante o processo de limpeza, assim
como alguns problemas decorrentes e os mecanismos de controle. A figura 6.17 apresenta um resumo
dos diferentes métodos de limpeza do gás, catalisadores e filtros utilizados em dependência do tipo
de impureza que se pretende remover e da temperatura do gás. Incluem-se também diferentes tipos de
gaseificadores e acionadores primários para a geração de eletricidade com o gás de síntese. Resumindo,
existem duas rotas tecnológicas: limpeza úmida à baixa temperatura e limpeza a seco à alta temperatura. Estas rotas tecnológicas são descritas a seguir.
Tabela 6.18 Presença de impurezas no gás produzido, problemas decorrentes e mecanismos de controle
Impurezas
Mecanismos de controle
e /ou mitigação
Fonte
Possíveis problemas
Particulados
Cinza, carbono, material
do leito
Erosão, aglomerações e
incrustações, e poluição
ambiental
Filtragem, lavagem do gás
Metais alcalinos (sódio e/
ou potássio nas cinzas)
Cinzas
Corrosão
Resfriamento, condensação,
filtragem, adsorção
Compostos nitrogenados
(NOx, NH3, HCN)
Reação do nitrogênio do
ar e do combustível
Compostos de enxofre e
cloro (HCl, H2S)
Reação do enxofre e
do cloro presente no
combustível
Alcatrão
(mistura complexa de
hidrocarbonetos)
Baixa temperatura no
processo, quantidade
considerável de voláteis
no combustível
Corrosão, poluição
ambiental
Corrosão, aglomerações
e incrustações, efeitos
sobre a saúde
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
Tratamento com substâncias
de caráter básico, utilização
de oxigênio puro no processo
Lavagem, captura com
CaCO3, MgCO3
Remoção, craqueamento
442 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.17 Resumo dos métodos e catalisadores para limpeza do gás de síntese, atendendo às impurezas e à
temperatura do processo. Reproduzida de Skoblia et alii (2005). Hot gas clearing for biomasa gasification in clean gas
production. International Freiberg Conference on IGCC & XtL Technologies, Technische Universitat, Bergakademie
Freiberg, 2005.
A figura 6.18 mostra a eficiência de diferentes dispositivos convencionais para o tratamento de material particulado produzido no processo, em função da sua granulometria. Para o controle do material
particulado, recomenda-se a utilização de multiciclones, precipitadores eletrostáticos, filtros cerâmicos
(candle) e/ou de manga.
Figura 6.18 Eficiências de remoção de partículas em sistemas de limpeza convencionais. Reproduzido com permissão
de Hasler e Nussbaumer (1999). Gas cleaning for IC engine applications from fixed bed biomass gasification. Biomass
and Bioenergy, 16(6):385-395. Copyright Elsevier, 1999.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 443
Hasler et alii (1999) afirmam que o alcatrão pode ser removido por leitos de material inerte, como,
por exemplo, areia, lavadores de gases (scrubbers) e/ou filtros de carvão ativado ou coque de lignito para
sua adsorção. Na tabela 6.19 são apresentadas as porcentagens de eficiência de diferentes sistemas de
limpeza na remoção de partículas e de alcatrão.
Tabela 6.19 Eficiência da remoção de partículas e alcatrão em vários sistemas de limpeza. Reproduzido com
permissão de Hasler e Nussbaumer (1999). Gas cleaning for IC engine applications from fixed bed biomass gasification. Biomass and Bioenergy, 16(6):385-395. Copyright Elsevier, 1999
Remoção de partículas
(%)
Remoção de alcatrão
(%)
Leito de areia
70-99
50-97
Precipitador eletrostático
> 99
0-60
Separador de partículas
85-90
30-70
–
50
Sistema
Filtro de adsorção
A remoção de alcatrão é um dos aspectos mais importantes no acondicionamento dos gases de
gaseificação. De acordo com Devi et alii (2003), as tecnologias de remoção de alcatrão podem ser divididas em: tratamentos no interior do gaseificador (método primário) e limpeza a quente do gás a jusante
do gaseificador, isto é, fora do equipamento (método secundário). As figuras 6.19 e 6.20 apresentam
um esquema geral de cada conceito.
Figura 6.19 Remoção de alcatrão segundo o método primário. Reproduzido com permissão de Devi et alii (2003).
A review of the primary measures for tar elimination in biomass gasification processes. Biomass and Bioenergy,
24(2):125-140. Copyright Elsevier, 2003.
Figura 6.20 Remoção de alcatrão segundo o método secundário. Reproduzido com permissão de Devi et alii (2003).
A review of the primary measures for tar elimination in biomass gasification processes. Biomass and Bioenergy,
24(2):125-140. Copyright Elsevier, 2003.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
444 BIOCOMBUSTÍVEIS
Segundo Devi et alii (2003), os métodos primários são definidos como todos aqueles procedimentos
realizados conjuntamente com o processo de gaseificação a fim de converter o alcatrão produzido em
gases. As medidas levadas em consideração no método são as seguintes:
• Seleção adequada das condições de operação: Ajuste das vazões de ar e combustível (fator de ar)
a fim de que a temperatura de reação apresente valores elevados (geralmente da ordem de 800oC)
para que aconteça um efetivo craqueamento do alcatrão.
• Uso de aditivos ou catalisadores durante a gaseificação: O uso de catalisadores promove a gaseificação do carbono resultante do processo, assim como mudanças na composição do gás
produzido e redução no teor de alcatrão. Os catalisadores mais conhecidos e utilizados são as
rochas calcárias, tais como a calcita (CaCO3) e a dolomita CaMg(CO3)2, os minerais que contêm
alumino-silicatos (zeolitas), e os catalisadores metálicos como os compostos à base de Ferro (Fe)
ou Níquel (Ni). Porém, segundo Zhang et alii (2004), os catalisadores metálicos utilizados durante o processo de gaseificação apresentam tempos de ativação reduzidos.
• Projeto adequado do gaseificador: O projeto do reator tem um efeito considerável no processo
de gaseificação, em termos de eficiência, poder calorífico e formação de alcatrão. Os projetos de
gaseificação em dois estágios permitem reduções importantes no teor de alcatrão produzido.
Por outro lado, e de acordo com Devi et alii (2003), os tratamentos de limpeza de gás depois da saída
do gaseificador (método secundário) são bastante efetivos na redução de alcatrão, porém em alguns casos
não são economicamente viáveis.
6.4.1 Limpeza úmida de gases à baixa temperatura
Um esquema geral do processo de limpeza úmida do gás de síntese é apresentado na figura 6.21.
Figura 6.21 Limpeza úmida de gases à baixa temperatura. Reproduzido com permissão de Hamelinck e Faaij (2002).
Future prospects for production of methanol and hydrogen from biomass. Journal of Power Sources, 111(1):1-22.
Copyright Elsevier, 2002.
Após a remoção das impurezas sólidas num ciclone, o gás de síntese é resfriado até o ponto de
orvalho antes de passar por um filtro de mangas, a fim de condensar os componentes mais pesados do
alcatrão. Trata-se de uma nova geração de filtros com mangas de fibra de vidro e temperatura de operação
do gás da ordem de 260oC. Nesta temperatura os particulados e os álcalis podem ser removidos com a
eficiência requerida (CONSONNI e LARSON, 1994; TIJMENSEN, 2000).
Depois o gás de síntese é lavado com água para retirar as partículas residuais (cinzas e alguns compostos alcalinos), espécies químicas em fase de vapor (alcatrão não reagido, condensados orgânicos,
traços de outros elementos), gases halogênicos e alguns compostos nitrogenados.
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 445
Da mesma forma, leitos de ZnO, de calcário (CaCO3 ) ou também de dolomita CaMg(CO3 )2 podem
mostrar excelentes resultados na remoção dos compostos de enxofre presentes no gás produzido. Um leito de ZnO é suficiente para diminuir a concentração de enxofre até valores inferiores a 0,1 ppm. Embora
o ZnO seja conhecido como um efetivo adsorvente, sua regenerabilidade está restringida pela perda de
área superficial a elevadas temperaturas e pela formação de sulfato de zinco (RAMIREZ, 1999).
Se for necessária também a remoção do CO2 , um processo de absorção com solvente pode ser usado, por exemplo, com Rectisol ou Sulfinol (TIJMENSEN, 2000). H2S e COS (sulfeto de carbonila) são
reduzidos até concentrações menores que 0,1 ppm e todo ou parte do CO2 é separado. O enxofre no gás
ácido, na saída do sistema de limpeza, é concentrado até ácido sulfúrico ou como enxofre elementar pelo
processo Claus.
A limpeza úmida pode remover até 50% do alcatrão presente no gás, e, quando seguida por um lavador venturi, a eficiência de remoção do alcatrão aumenta para 97%. Os resíduos do processo de lavagem
do gás precisam de tratamento através de um sistema composto por: câmera de sedimentação, filtro de
areia e filtro de carvão ativado.
O método úmido à baixa temperatura tem um consumo de energia alto e requer tratamento do
efluente gerado, mas atualmente é mais eficiente que a limpeza a seco de gases à alta temperatura
(CARDENAS, 2006).
6.4.2 Limpeza a seco dos gases à alta temperatura
O processo de limpeza a seco consegue remover o material particulado presente na mistura gasosa
com alta eficiência. O alcatrão pode ser também removido por meio de reatores secundários onde são
desenvolvidas reações de catálise. Alcatrão e óleos não são removidos durante a passagem pela unidade
de limpeza seca de gases, porque estes não condensam em temperaturas altas (TIJMENSEN, 2000).
A remoção das partículas de cinza é feita em ciclones, lavadores de gases, ou filtros cerâmicos de
alta temperatura. Os ciclones podem ser utilizados para o controle primário das partículas, mas não seria
possível satisfazer com ele as especificações de qualidade do gás para MACI ou TG. O sistema cerâmico
de filtragem à alta temperatura pode ser utilizado para remover partículas em níveis aceitáveis para estas
aplicações. Os filtros cerâmicos podem suportar a temperaturas da ordem de 800oC. Seu uso permite
reduzir consideravelmente as perdas de calor relacionadas com o resfriamento, limpeza do gás e posterior
compressão até a pressão requerida pelo acionador primário ou processo. Um esquema geral do processo
é apresentado na figura 6.22.
Figura 6.22 Limpeza a seco dos gases à alta temperatura. Reproduzido com permissão de Hamelinck e Faaij (2002).
Future prospects for production of methanol and hydrogen from biomass. Journal of Power Sources, 111(1):1-22.
Copyright Elsevier, 2002.
Catalisadores base níquel têm demonstrado alta eficiência para a decomposição do alcatrão a temperaturas em torno de 900ºC. Porém, o enxofre pode envenenar estes catalisadores (TIJMENSEN, 2000).
Os halogênios são removidos utilizando-se adsorventes pulverizados baseados em Na e Ca. Estes são
injetados no fluxo de gás e removidos nos separadores de particulados (VERSCHOOR et alii, 1991).
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446 BIOCOMBUSTÍVEIS
6.4.3 Tecnologias para a remoção de material particulado
A eficiência requerida para a remoção do material particulado, como já foi visto, depende do uso final do gás. Dentre as tecnologias existentes para a remoção de material particulado destacam-se: ciclones,
filtros, filtros eletrostáticos e lavadores de gases (wet scrubbers).
6.4.3.1 Ciclones
Estes equipamentos são muito utilizados como primeira etapa do processo de limpeza do gás, devido ao seu baixo custo, alta eficiência na remoção das partículas mais grosseiras. Essa tecnologia permite
a remoção de 90% do material particulado com partículas de até 5 μm de diâmetro (STEVENS, 2001).
Como o ciclone pode operar sob altas temperaturas é possível conservar o calor sensível do gás, quando
este se encontra devidamente isolado.
6.4.3.2 Filtros
Os filtros são constituídos de elementos porosos, tais como leitos granulares, materiais cerâmicos e
placas metálicas, que permitem a passagem dos gases, mas impedem a passagem do material particulado.
Para temperaturas acima de 400ºC a remoção das partículas deve ser realizada em filtros de leito granular
fino, filtros de cerâmica (candle) ou placas de metal sinterizado. As duas últimas tecnologias podem operar em
temperaturas acima de 720oC com eficiências superiores a 99,8% para partículas de 2-7 μm (KATOFSKY,
1993). Ainda segundo White et alii (1992), podem ser utilizados filtros cerâmicos para a remoção simultânea
de SOx, NOx e particulados. Os processos de remoção de álcalis a elevadas temperaturas (750-900oC)
ainda estão em desenvolvimento. A temperaturas menores que 600oC, os metais alcalinos condensam-se
formando partículas e podem ser mais facilmente removidos com filtros (KATOFSKY, 1993).
A limpeza dos filtros é periódica e se realiza passando um jato de gás limpo através dos mesmos na
direção contrária ao fluxo normal de gás. Os filtros são instalados logo após os ciclones a fim de reduzir
a saturação dos mesmos com partículas grosseiras e garantir melhores condições de operação. Também,
alguns sistemas de gaseificação utilizam filtros de mangas, o que exige o controle da temperatura do gás
na entrada do dispositivo.
6.4.3.3 Precipitador eletrostático
Tecnologia amplamente utilizada em vários sistemas de limpeza de gases que exigem alta pureza
em termos de particulados. Os precipitadores eletrostáticos operam de acordo com o princípio da força
eletrostática, produzida pela geração de cargas elétricas opostas entre as partículas e a superfície dos eletrodos. O precipitador eletrostático é um equipamento de alto custo recomendado para plantas de grande
capacidade.
6.4.3.4 Lavador de gases (scrubbers)
Os lavadores de gases utilizam geralmente água e o material particulado é removido principalmente
pelo mecanismo de colisão das partículas com as gotas de líquido. O lavador mais comum em aplicações
de alta eficiência é o do tipo Venturi. A velocidade do gás na garganta do lavador venturi varia entre
60-125 m/s. A eficiência da remoção é proporcional à queda de pressão. Para pressões entre 2,5 e 25 kPa os
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 447
scrubbers podem remover 99,9% das partículas maiores que 2 μm e até 95-99% das partículas maiores que
1 μm (STEVENS, 2001). Suas maiores limitações estão na necessidade de tratamento da água utilizada na
lavagem e consideráveis requerimentos de potências dadas às perdas de carga no interior do equipamento.
6.4.4 Tecnologias para a remoção do alcatrão
Os alcatrões são hidrocarbonetos polinucleares, que podem causar incrustações e corrosão em
MACI e TG, diminuindo a eficiência dos mesmos e incrementando a frequência de manutenção. Além
disso, estes hidrocarbonetos pesados interferem na síntese de combustíveis e produtos químicos, reduzindo a vida útil dos catalisadores empregados nos processos de síntese.
Segundo Zhang et alii (2004), o tratamento do alcatrão presente no gás gerado, pode ser realizado
por métodos físicos, térmicos e/ou catalíticos. Os primeiros utilizam mecanismos de interface gás/sólido ou gás/líquido, a fim de conseguir sua separação. Exemplos destes mecanismos são: os filtros e os
lavadores de gás (scrubbers). Nestes últimos não ocorre uma transformação do alcatrão e a disposição do
mesmo pode representar um impacto ambiental considerável. Na tabela 6.20 apresenta-se a eficiência de
remoção de alcatrão para diferentes tecnologias de tratamento do gás. No processos térmicos, precisa-se
de altas temperaturas, a fim de craquear o alcatrão.
Tabela 6.20 Eficiência na remoção de alcatrão com diferentes tecnologias. Reproduzido com permissão de Hasler
e Nussbaumer (1999). Gas cleaning for IC engine applications from fixed bed biomass gasification. Biomass and
Bioenergy, 16(6):385-395. Copyright Elsevier, 1999
Tecnologia
Eficiência na remoção
Torres de lavagem
11-25% de alcatrão pesado
40-60% hidrocarbonetos poliaromáticos
0-60% fenóis
Lavador venturi
50-90%
Venturi + torre de lavagem
83-99% material condensável
Ciclone + demister
93-99% material orgânico condensável
Lavador tipo vórtex
66-78% resíduos evaporativos
6.4.4.1 Craqueamento catalítico do alcatrão
Os métodos catalíticos operam a temperaturas menores que os processos térmicos, evitando o uso
de materiais caros na construção dos reatores de craqueamento. Também, e dependendo do tipo de catalisador, é possível eliminar a necessidade de aquecimento ou resfriamento do gás produzido na gaseificação (ZHANG et alii, 2004). O fato da transformação do alcatrão numa mistura gasosa evita os problemas
associados à disposição de resíduos, quando aplicados outros métodos de tratamento.
O processo de destruição catalítica do alcatrão tem sido um método usual na remoção de alcatrão
do gás de gaseificação. A decomposição do alcatrão é realizada a temperaturas superiores a 900oC na
presença de catalisadores que podem, em princípio, estar localizados nos mesmos reatores onde é
realizada a gaseificação (catálise in situ), ou em reatores secundários de leito fixo ou de leito fluidizado
(catálise a jusante). As condições de temperatura e pressão do craqueamento usualmente coincidem
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448 BIOCOMBUSTÍVEIS
com as do gaseificador (SUTTON et alii, 2001). Assim, à medida que o gás entra em contato com a
superfície do catalisador, os alcatrões são reformados em presença do vapor, CO2 ou uma mistura de
ambos, a fim de produzir CO e H2, conforme se apresenta nas equações 6.14 e 6.15.
CnHm + nH2O Û nCO + CnHm + nCO2 Û 2CO +
( )
m n +
H2
2
( )
m H
2
2
(6.14)
(6.15)
De acordo com Sutton et alii (2001), os catalisadores mais conhecidos e utilizados até o momento
são: a dolomita CaMg(CO3 )2, alguns sais de metais alcalinos (como o carbonato de potássio (K2CO3 )
ou o carbonato de sódio (Na2CO3 ) e base de Níquel (Ni). As pesquisas com metais alcalinos consistem
na avaliação da biomassa impregnada com o catalisador, isto é, na remoção do alcatrão de acordo com
o método primário, encontrando-se custos consideráveis e dificuldades na recuperação dos metais. Os
resultados também têm permitido o desenvolvimento de pesquisas sobre o efeito catalítico das cinzas da
gaseificação de biomassa, dadas as concentrações de metais alcalinas nelas encontradas.
Também e segundo Sutton et alii (2001), a dolomita com maior conteúdo de óxidos de ferro (Fe2O3)
e maior distribuição de tamanho dos poros, apresenta melhor eficiência na remoção dos hidrocarbonetos.
Sua principal vantagem está relacionada com seu baixo custo e as altas taxas de remoção dos hidrocarbonetos mais pesados do gás de gaseificação.
Pesquisas têm sido realizadas com diferentes tipos de catalisadores (tabela 6.21). O mecanismo do
processo consiste na quebra do alcatrão em pequenas moléculas quando em contato com a superfície do
catalisador. O fluxo turbulento e a alta temperatura em gaseificadores de leito fluidizado (borbulhante
e circulante) favorecem o atrito e a rápida desativação do catalisador. Também, e para o caso de gaseificadores de leito fixo (principalmente cocorrentes) o contato entre a superfície do catalisador e os gases
algumas vezes não é o melhor resultando numa decomposição incompleta do alcatrão.
As figuras 6.23 e 6.24 mostram um exemplo de aplicação da reforma catalítica do alcatrão para a
limpeza do gás produzido num reator de leito fluidizado circulante. O catalisador foi desenvolvido pela
Fraunhofer Umsicht e Gas Energietechnologie GmbH, e instalado numa planta-piloto em Oberhausen
(ISING et alii, 2004). Os autores deste trabalho testaram a utilização conjunta de catalisadores in situ
(material inerte) e a jusante do gaseificador (catalisador monolítico à base de níquel), concluindo ser esta
última a melhor opção.
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 449
Tabela 6.21 Catalisadores mais utilizados nos processos de reforma de alcatrão. Reproduzido com permissão de
Wang et alii (2008). Contemporary issues in thermal gasification of biomass and its application to electricity and fuel
production. Biomass and Bioenergy, 32(7):573-581. Copyright Elsevier, 2008
Tipo de catalisador
Catalisador
representativo
Vantagem principal
Catalisadores de
origem natural
Dolomita
Olivina
Argila
Zeolitas
Baixo custo
Álcalis e sais
KOH
KHCO3
K2CO3
– Alta eficiência de reforma
– Acréscimo do teor de
hidrogênio no gás de
síntese
NiO/Al2O3
– Alta eficiência de reforma.
Ni/CeO2/Al2O3
RhCeO2SiO2
LaNi0,3Fe0,7O3
– Acréscimo do teor de
hidrogênio no gás de
síntese
Metais estáveis com
suporte de óxidos
Desafio tecnológico
– Eficiência de reforma moderada
– Erosão e ruptura fáceis
– Dolomita: baixa eficiência < 850ºC
– Entupimento e desativação
incrementada à alta temperatura
– Os metais estáveis são caros
– Os metais se desativam facilmente
pelo coque, sofrem envenenamento
por H2S
– Materiais de suporte resistentes à
água
Figura 6.23 Teor de alcatrão no gás de síntese após o reformador catalítico e descrição dos processos que acontecem
no catalisador. Reproduzida com permissão de Ising et alii (2004). Cogeneration with biomass gasification by
producer gas driven block heat and power plants. 2nd World Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate
Protection, 10-13 Maio, Roma, Italia, p. 801-804, 2004.
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450 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.24 Teor de alcatrão na saída do gaseificador, na saída do reformado catalítico e após o separador de partículas
(filtro de mangas) na planta-piloto da Fraunhofer UMSICHT em Oberhausen. Reproduzida com permissão de Ising et
alii (2004). Cogeneration with biomass gasification by producer gas driven block heat and power plants. 2nd World
Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, 10-13 Maio, Rome, Italy, p. 801-804, 2004.
Por outro lado, o catalisador também apresenta atividade na reação de gás d’água ou reação de shift,
favorecendo o aumento no conteúdo de hidrogênio no gás produzido, visando à sua adequação para células combustíveis e outras aplicações, como a produção de H2 puro.
A fim de retardar a desativação do catalisador é conveniente a remoção das partículas de coque
contidas no gás. Assim, os sistemas catalíticos precisam de dispositivos de limpeza a quente para garantir
maiores eficiências e tempos de operação. Filtros cerâmicos de alta temperatura testados num gaseificador pressurizado atingiram 8 000 h de operação. A Universidade de Delft está testando filtros da empresa
Pall Schumacher com limpeza por pulsos de pressão, tendo obtido eficiências de separação de 99,999%.
O NEST/UNIFEI junto com a Termoquip Energia Alternativa Ltda. testaram um sistema de limpeza catalítica à base de Ni, acoplado a um gaseificador de fluxo cruzado. Os resultados do estudo são
apresentados no item 6.10.1.
6.4.4.2 Destruição térmica do alcatrão
É possível realizar a decomposição do alcatrão sem utilizar catalisadores, entretanto o método pode
ser aplicado apenas em reatores com zonas de alta temperatura. A faixa de temperatura adequada ao processo está relacionada com o peso molecular do alcatrão formado nos sistemas de gaseificação, podendo
variar entre 900 e 1 300oC. Por motivos econômicos e operacionais o craqueamento térmico não é atrativo para sistemas de gaseificação em grande escala.
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 451
6.5 ACondicionamento do gás de síntese
Consiste na adaptação do gás de síntese aos requerimentos dos processos FT, GNS ou outros a
jusante, como mostrado na tabela 6.22.
Tabela 6.22 Requisitos e soluções referentes à etapa de condicionamento do gás de síntese. Reproduzida com
permissão de Bridgwater (2007). Gasification progress for liquids fuels from biomass. SYNBIOS II. Stockholm 23-24
Maio, 2007
Requisito
Solução
Nitrogênio
Deve ser evitado utilizando-se oxigênio, misturas oxigênio/vapor ou vapor
como agentes de gaseificação
Teor de metano e relação H/C
Processo de reforma
Relação CO/H2
Ajuste através da reação de shift
Remoção de CO2
Diferentes processos de remoção
6.6 Gaseificação para a geração de eletricidade
A geração de eletricidade em pequena escala a partir da biomassa foi objeto de diferentes estudos e
projetos nos períodos posteriores às primeira e segunda crises do petróleo. Estes projetos eram voltados
principalmente para a geração em regiões isoladas e em comunidades de baixa renda. Estes foram os
anos dos grandes projetos de gaseificação na Índia, China e Tailândia. Nos anos 1980 o Banco Mundial
encomendou um estudo visando esclarecer as causas de fracassos e sucessos nos projetos implementados
naqueles anos.
Mais recentemente esse tema voltou a tomar força num cenário de preços do petróleo superiores
a 100 dólares por barril. Porém, o desenvolvimento tecnológico dos equipamentos relacionados com
a geração de eletricidade a partir da gaseificação de biomassa não tem atingido, na maioria dos casos,
o estágio comercial como é mostrado na tabela 6.23.
Nesta tabela a seguinte nomenclatura é utilizada: MACI (Motores Alternativos de Combustão Interna),
MS (Motores Stirling), MTG (Microturbina a Gás), TG (Turbinas a Gás), CC (Células a Combustível),
CV (Ciclo a Vapor), ORC (Ciclo Orgânico Rankine), BIG-GT (Sistema Integrado de Gaseificação de
Biomassa com Turbinas a Gás). Os dados referem-se a três faixas de potências: a microgeração (2-200 kW),
típica de pequenas comunidades isoladas, a minigeração (200-1 000 kW), típica de pequenas e médias
indústrias, e a geração em escala industrial com potências superiores a 1 000 kW.
A tabela 6.23 inclui também a avaliação de tecnologias relacionadas com a combustão de biomassa,
tais como os ciclos a vapor, os ciclos Rankine com fluidos orgânicos, as microturbinas a gás e os motores
Stirling acoplados a fornalhas para a combustão da biomassa.
Em geral a faixa de potências correspondente à microgeração se caracteriza pela quase total ausência
de tecnologias comerciais. O Programa “Luz para Todos” do Ministério de Minas e Energia do Brasil
junto com CNPq “Conselho Nacional de Pesquisas” financiaram uma série de projetos demonstrativos
visando à implementação das tecnologias de gaseificação/MACI, Motor Stirling acoplado à fornalha à
biomassa e uso de óleos vegetais in natura em MACI.
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452 BIOCOMBUSTÍVEIS
Tabela 6.23 Maturidade tecnológica e viabilidade comercial de diferentes tecnologias para a geração de eletricidade
a partir da biomassa (A – Alta, M – Média, B – Baixa)
Faixa de
potência,
kWe
Tecnologia
Maturidade
tecnológica
A
Gaseificação/MACI
5-200
M
M
Comentários
B
Poucas ofertas comerciais e
projetos de sucesso
X
Gaseificação/MS
X
X
P&D
Gaseificação/MTG
X
X
P&D
Combustão/MS
X
X
Alguns projetos
demonstrativos
Combustão/MTG (queima
externa)
X
X
P&D
X
P&D
X
Biodiesel/MACI
X
Combustão/CV
X
Gaseificação/MACI
X
X
Gaseificação/CC
Combustão/CV
> 1 000
A
X
Gaseificação/CC
200-1 000
B
Disponibilidade
comercial
X
X
Comercial
X
Comercial, baixa eficiência
X
Poucas ofertas comerciais e
projetos de sucesso
X
X
P&D
Comercial
ORC – Ciclo Orgânico
Rankine
X
X
Unidades demonstrativas e
comerciais, alto custo
Gaseificação/TG (BIG-GT)
X
X
Unidades demonstrativas
abandonadas
X
P&D
Gaseificação-CC
X
Os resultados obtidos mostram que as tecnologias de geração através da gaseificação são, junto aos
ciclos a vapor, as tecnologias mais promissoras. Vale destacar as perspectivas dos sistemas fornalha/motor Stirling na faixa de potências correspondentes à microgeração e a necessidade do desenvolvimento
de protótipos nacionais. O NEST/UNIFEI realiza atualmente os testes de um sistema motor Stirling /
fornalha de 9 kWe de potência. No capítulo 2, item 2.13 apresentam-se os detalhes deste projeto. As tentativas de implementação do ciclo a vapor para potências inferiores a 1 000 kWe esbarram nas limitações
físicas de alturas mínimas das palhetas das turbinas, o que leva a eficiências extremamente baixas.
6.6.1 Análise técnico-econômica da geração de eletricidade a partir da gaseificação
de biomassa
Uma avaliação técnico-econômica de diferentes sistemas de geração de eletricidade a partir de gaseificação de biomassa foi realizada por Sales (2007). Neste estudo foram avaliadas as opções tecnológicas
relacionadas com gaseificadores de leito fixo, acoplados a MACI, MTG, MS e CC, para potências de 50,
100 e 500 kW, utilizando biomassa de Eucaliptus e Pinus como combustível (figura 6.25a). A tecnologia
de gaseificação em leito fluidizado foi também avaliada para potências maiores: 500 kW, 1 MW e 3 MW,
e para combustíveis polidispersos, como a casca de arroz, o bagaço de cana e a serragem. Neste caso as
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 453
tecnologias consideradas para os acionamentos primários foram os MACI, as TG e as CC. A figura 6.25b
mostra estas opções.
a)
b)
Figura 6.25 Opções tecnológicas e tipos de biomassa avaliadas na análise técnico-econômica da geração de
eletricidade a partir da gaseificação.
Os dados relacionados aos custos dos equipamentos, custos de sistemas auxiliares de operação e
manutenção, assim como os dados assumidos para diferentes variáveis econômicas e de operação no
estudo de viabilidade são apresentados nas tabelas 6.24, 6.25 e 6.26. Os principais resultados do estudo
são mostrados nas figuras 6.26 a 6.28.
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454 BIOCOMBUSTÍVEIS
Tabela 6.24 Faixa de variação dos custos específicos dos equipamentos individuais assumida durante o estudo
Investimento específico
Equipamento
Valor
Unidade
Gaseificador de leito fixo
400-600
Gaseificador de leito fluidizado
360-540
Motor alternativo de combustão interna
300-900
Microturbina a gás
US$/kWt
700-1 300
Turbina a gás
400-650
Motor Stirling
2.000-5.000
Célula a combustível
3.000-6.000
US$/kWe
Tabela 6.25 Custos de operação e manutenção, sistemas auxiliares e instalação
Custos específicos
Custos
Valor
Unidade
O&M MACI a gás
0,007-0,015
O&M MACI a Diesel
0,005-0,010
O&M Microturbinas a gás
0,005-0,016
O&M Motor Stirling
0,017-0,028
O&M Célula a combustível
0,005-0,010
O&M Gaseificador
US$/kWh
6
Sistema de limpeza de gases
30
% custo do
equipamento
Instalação dos equipamentos
20
% custo capital
Tabela 6.26 Dados assumidos durante o cálculo econômico
Dados de entrada
Unidade
Valor
Taxa de câmbio
R$/US$
2,02
Taxa de juros
%
12
Taxa mínima de atratividade (TMA)
%
15
Tempo de operação anual
h
6 570
MJ/kg
5,6
Relação gás–biomassa
–
2,5
Fator de capacidade
%
75
PCI do gás gerado
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 455
a)
b)
Figura 6.26 Investimento específico nos sistemas gaseificador/acionador primário: a) Sistemas com gaseificador de
leito fixo; b) Sistemas com gaseificador de leito fluidizado.
a)
b)
Figura 6.27 Taxa interna de retorno para os sistemas com gaseificador de leito fixo (a); fluidizado (b).
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456 BIOCOMBUSTÍVEIS
a)
b)
Figura 6.28 Custo de geração para as diferentes tecnologias avaliadas no caso de gaseificadores: a) de leito fixo;
b) de leito fluidizado.
As principais conclusões do estudo de Sales (2007) foram:
• A maior atratividade econômica corresponde ao conjunto gaseificador/MACI. Essa tecnologia
apresentou maior Taxa Interna de Retorno (TIR), menor custo de geração e investimento específico.
• O conjunto gaseificador/MTG apresentou valores favoráveis dos indicadores técnico-econômicos aproximando-se dos valores obtidos para o MACI.
• As tecnologias MS e CC não apresentaram viabilidade econômica por se tratar de tecnologias
cujo custo específico e custo de geração são, ainda, muito elevados. Para que estas tecnologias
sejam competitivas faz-se necessário que o valor de comercialização da energia elétrica seja muito superior ao valor atual.
• Deve-se considerar que várias tecnologias incluídas neste estudo estão em desenvolvimento e até
o momento não estão disponíveis em escala comercial. A tendência decorrente do desenvolvimento tecnológico e da produção em grande escala é a redução do custo desses equipamentos.
• Num período de 10 a 15 anos o custo específico das tecnologias como MS e CC devem estar em
torno de 1.500 U$/kW, o que ainda possibilita um tempo de retorno de 7 a 9 anos para o valor
atual de tarifa de energia.
• A análise de sensibilidade mostrou que o parâmetro que mais influencia a viabilidade do investimento é o custo específico de investimento seguido da tarifa de energia elétrica.
• As tecnologias avaliadas devem ser consideradas como uma alternativa ambiental, que além de
propiciar a diversificação na matriz energética reduz a dependência de combustíveis fósseis.
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 457
6.7 Estado-da-arte da gaseificação para a geração de eletricidade
no mundo
A geração de eletricidade a partir da biomassa encontra-se num estágio demonstrativo pré-comercial.
Alguns casos de sucesso podem ser comentados sem pretender com isto esgotar o amplo universo de empresas, universidades e centros de pesquisas que trabalham nesta temática. Os casos a comentar são:
• IISC (Indian Institute of Science) em Bangalore, Índia: Desenvolveram gaseificadores cocorrentes
de topo aberto (stratified ou open top gasifier). A eficiência de projeto do gaseificador é de 80%, e o
PCI do gás produzido em torno de 4,7 MJ/Nm³. O teor de alcatrão presente no gás encontra-se
na faixa de 50 e 80 mg/Nm3. O Centro Nacional de Referência de Biomassa (CENBIO) e o Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo (IPT), adquiriram e testaram um gaseificador do
IISc, visando à sua utilização num projeto-piloto na Amazônia. A figura 6.29 mostra o esquema
principal da instalação e a figura 6.30 a composição do gás obtido (COELHO et alii, 2004).
Figura 6.29 Esquema do gaseificador projetado no Indian Institute of Science e testado pelo Instituto de Pesquisas
Tecnológicas de São Paulo. Reproduzida de Coelho et alii (2004). Tests presentation results of the imported
gasification system from the Indian Institute of Science. 2nd World Conference on Biomass for Energy, Industry and
Climate Protection, 10-13 Maio de 2004, Rome, Italy, pp. 2.516-2.519, 2004.
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458 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.30 Composição do gás gerado pelo gaseificador do IISc durante os testes realizados no IPT. Reproduzida
de Coelho et alii (2004). Tests presentation results of the imported gasification system from the Indian Institute of
Science. 2nd World Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, 10-13 Maio de 2004, Rome,
Italy, pp. 2.516-2.519, 2004.
• Xyllowatt, empresa belga: A figura 6.31 mostra o arranjo geral e o balanço energético destes gaseificadores e a tabela 6.22 os resultados dos testes do sistema.
Figura 6.31 Esquema geral e balanço térmico do conjunto gaseificador/motor da Xylowatt. Reproduzida de Laborelec
et alii (2004). Cost effective biomass gasification in small-scale CHP power plants.
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 459
Tabela 6.27 Resultados dos testes do sistema gaseificador/motor da Xylowatt (Ryckmans et alii, 2001)
Parâmetro
Valor
Vazão de gás produzido
600 Nm3/h
PCI do gás produzido
5,2 MJ/Nm3
CO
25%
H2
14%
CH4
2%
CO2
10%
Potência elétrica
Potência térmica
150 a 1 500 kWe
300 a 3 000 kWth
Eficiência elétrica
25%
Eficiência do gaseificador
70-80%
• Instituto Catalão de Energia, Espanha: Gaseificador ENAMORA (leito fluidizado borbulhante)
instalado em Móra d´Ebre, Tarragona, Espanha. O gás produzido é fornecido a um MACI de
750 kWe, apresentando uma eficiência do sistema entre 21 e 22%.
• Planta de gaseificação em Gussing, Áustria: Composta por um gaseificador de aquecimento indireto
e um MACI a gás marca Jenbacher J620 GS de 2 MWe. O PCS do gás produzido está em torno
de 12 MJ/Nm3, enquanto a eficiência global do sistema reporta valores de 30%.
• Biomax 15, Estados Unidos: Conjunto gaseificador/motor de 10-25 kWe desenvolvido pela
Community Power Corporation (CPC) e o National Renewable Energy Laboratory (NREL). O
consumo específico de biomassa 1,5 kg/kWh e o investimento específico 1.200 US$/kW.
• Ankur Scientific Energy Technologies Pvt Ltd, Índia: A empresa Ankur, é um dos fabricantes de
gaseificadores mais antigos na Índia. Contam com uma extensa experiência de operação contínua e a sua tecnologia é considerada robusta e madura. Vários destes equipamentos têm sido
exportados aos Estados Unidos para testes operando acoplados a MTG com queima catalítica
do gás. Um destes sistemas foi modificado pela equipe do Centro de Pesquisas e Ambiente da
Universidade de Dakota do Norte, incluindo um sistema de alimentação de aparas de madeira
(na Índia estes gaseificadores funcionam com madeira em pedaços), e automatizaram alguns
elementos do sistema. A figura 6.32 mostra um esquema do gaseificador WB6-200 da Ankur
operando em conjunto com um MACI e os detalhes do sistema de limpeza. Na tabela 6.28
apresentam-se os resultados dos testes do gaseificador modificado (ZYGARLIKE e SCHMIDT,
2005). A fração média de substituição de diesel foi de 56%.
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460 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.32 Esquema tecnológico do sistema de geração de eletricidade a partir da gaseificação da biomassa da
Ankur Scientific.
Tabela 6.28 Resultados dos testes de um gaseificador WB6-200 da Ankur Scientific. Reproduzida com permissão
de Zygarlicke e Schmidt (2005). Development of an industrial-scale biomass gasification power plant
Especificação da
Ankur
Valor médio dos
testes
Consumo de madeira, kg/h
164
105
Teor de umidade, %
30,0
25,2
Vazão de ar, kg/h
296
241
Vazão de gás úmido, kg/h
395
310
Composição do gás, %
H2
CO
CO2
CH4
O2
N2
18,3
19,6
10,6
1,0
0,0
50,5
13,3
13,9
14,3
1,8
1,5
55,3
0,9
1,0
4 836,3
3 854,9
76,0
68,4
Parâmetro
H2/CO
PCS do gás, kJ/m
3
Eficiência da gaseificação
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 461
• Energy Research Centre of the Netherlands (ECN), Holanda: O gaseificador Bivkin, testado no Centro
de Pesquisas em Energia na Holanda, é um reator de leito fluidizado circulante de 500 kWt, que
inclui o sistema OLGA para a remoção do alcatrão (lavagem com óleo) e o sistema GASREIP
(quench) para a remoção da umidade ou da amônia presentes no gás produzido (figuras 6.33 e
6.34). O gás limpo é utilizado em um MACI MAN tipo E0826E de seis cilindros, que gera uma
potência de 45 kWe. A tabela 6.29 mostra a composição do gás de síntese antes e depois do
sistema de limpeza.
Figura 6.33 Esquema do gaseificador BIVKIN com o sistema de limpeza.
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462 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.34 Esquema da unidade Olga com o ciclone e precipitador eletrostático. Reproduzida com permissão
de Koneman et alii (2007). Olga tar removal technology: 4 MW commercial demostration. 15th European Biomass
Conference & Exhibition, 7-11 Maio de 2007, Berlim, Alemanha.
Tabela 6.29 Composição do gás antes e depois do sistema de limpeza no gaseificador BIVKIN do ECN. Reproduzida
com permissão de Koneman et alii (2007). Olga tar removal technology: 4 MW commercial demostration. 15th
European Biomass Conference & Exhibition, 7-11 Maio de 2007, Berlim, Alemanha
Compostos
Unidades
Saída do gaseificador
Na entrada do MACI
H2
% vol. % seco
7,2
7,4
CO
% vol. % seco
17,4
17,4
CH4
% vol. % seco
4,6
4,6
CO2
% vol. % seco
15,5
15,5
C2H2
% vol. % seco
0,2
0,2
C2H4
% vol. % seco
2,0
1,9
C2H6
% vol. % seco
0,1
0,1
N2
% vol. % seco
51,3
52,0
H2O
% vol. % seco
14,6
1,9
Benzeno
ppmv seco
3511
2424
Tolueno
ppmv seco
448
158
NH3
ppmv
160
10
H2S
ppmv
10
10
Alcatrão total
mg/Nm3 seco
16 855
91
Naftaleno
mg/Nm3 seco
4 023
35
Fenóis
mg/Nm3 seco
386
<2,5
Aerossóis de alcatrão
mg/Nm3 seco
–
<5
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 463
• Carbona Inc, Finlândia: Desenvolveu a tecnologia de gaseificação em leito fluidizado circulante
pressurizado a partir de uma licença adquirida do Gas Technology Institute (GTI). O agente de gaseificação utilizado é uma mistura de ar e vapor. A tecnologia da Carbona Inc está sendo utilizada
atualmente no projeto demonstrativos da planta de cogeração Skive BGGR, na Dinamarca. A
planta Skive tem uma potência elétrica de 5,5 MW, além de 11,5 MW de potência térmica para
aquecimento distrital. A eficiência de projeto é de 28% (elétrica) e 87% (cogeração). O projeto e
teste do sistema de reforma do alcatrão foram realizados pela VTT e como acionadores primários foram escolhidos três MACI Jenbacher JMS620GS, desenvolvidos para a operação com gás
de baixo poder calorífico. Uma planta IGCC foi projetada para ser instalada em Andhra Pradesh,
na Índia (PATEL e SALO, 2004). Este projeto de 12,5 MWe de capacidade e uma eficiência líquida elétrica de 37% nunca chegou a ser implementado. O consumo estimado anual de biomassa
era de 80 000 toneladas. O gaseificador pretendia alimentar duas turbinas Typhoon de 4,7 MWe
e uma turbina a vapor em ciclo combinado de 4 MWe. A limpeza do gás estava prevista para ser
realizada com filtros cerâmicos da empresa Pall.
6.8 GASEIFICAÇÃO PARA A PRODUÇÃO DE GÁS DE SÍNTESE
Embora o objetivo principal neste caso seja a obtenção de gás de síntese como matéria-prima para a
síntese de biocombustíveis, o fato de dispor de um gás de maior poder calorífico resulta na possibilidade
do mesmo ser utilizado em TG e MACI sem as modificações que requer o uso do gás pobre, como se faz
com o biogás. A poligeração, como já foi dito, prevê esta possibilidade, ou seja, o uso do gás de síntese
para a geração de eletricidade e a produção de biocombustíveis numa mesma unidade.
A síntese de biocombustíveis mostra bons indicadores de viabilidade econômica apenas quando é
utilizada em larga escala (alguns estudos indicam valores > 1 700 MW térmicos de energia da biomassa,
outros se referem a 5´106 toneladas de biomassa por ano como mínimo econômico). Isto faz com que
os gaseificadores de leito fixo e alguns de leito fluidizado borbulhante, típicos de capacidades térmicas pequenas não sejam perspectivos para projetos industriais de produção de gás de síntese para biocombustíveis. Além disso, as plantas de produção de O2 apresentam custos relativos desproporcionais para plantas
de pequena capacidade. Como mostrado na tabela 6.3, a maioria dos processos de síntese de biocombustíveis acontece a altas pressões, portanto é natural que se prefira a opção da gaseificação pressurizada.
É possível concluir que a gaseificação de biomassa visando à produção de gás de síntese deve cumprir com os seguintes requerimentos:
• Capacidades de processamento superiores a 5´106 toneladas de biomassa por ano.
• Teor reduzido de impurezas no gás.
• Teor máximo de H2 e CO (altos teores de H2).
• Uso de oxigênio como agente de gaseificação, a fim de evitar a presença de N2 no gás de síntese.
• Injeção de vapor, que serve para a reforma e como moderador de temperatura.
• Simplicidade de processo e baixos custos de operação e manutenção.
A figura 6.35 mostra quais são as tecnologias de gaseificação que, a princípio poderiam evoluir com
o intuito de cumprir com os requisitos na produção de gás de síntese para a produção de biocombustíveis.
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464 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.35 Opções tecnológicas da gaseificação para a produção de gás de síntese. Reproduzida com permissão
de Lora (2008). Projeto Programa de Pesquisa em Políticas Públicas. Painel 3: Gaseificação de Biomassa.
Outros detalhes que devem ser considerados são:
• Os gaseificadores de leito arrastado, embora facilmente escaláveis, exigem uma granulometria
muito fina da biomassa, encarecendo os custos dado o alto consumo de potência. O pré-tratamento por torrefação facilita o processo de redução granulométrica. Por este motivo, e também
para reduzir os custos de transporte da biomassa in natura, propõe-se pirolisar previamente a
biomassa para sua posterior gaseificação. As altas temperaturas de operação levam à fusão das
cinzas, baixo teor de metano e ao craqueamento completo do alcatrão, descartando da reforma
catalítica do mesmo (figura 6.36).
Figura 6.36 Opções tecnológicas da gaseificação para gás de síntese.
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 465
• A gaseificação utilizando misturas de oxigênio e vapor de água permite atingir concentrações de
H2 e CO, aproximadas de 40%. O custo do processo de separação de ar para a obtenção do O2
necessário para o processo de gaseificação de biomassa é um fator a ser considerado, além do
necessário ajuste da relação H2/CO do gás produzido.
• A gaseificação com vapor produz um gás com teores consideráveis de CO2 que deve ser removido por adsorção utilizando CaO/CaCO3 como reagente (Processo AER: Absortion Enhanced
Reformer).
• Os gaseificadores com aquecimento indireto produzem um gás com teor de hidrogênio variando
de 40 a 43% e CO variando de 15 a 30% (gaseificadores da Deutsche Montan Technologie – DMT
e FICFB – Fast Internally Circulating Fluidized Bed). Porém, a utilização do material do leito como
portador de calor complica a construção e operação do equipamento, já que o inerte circula entre
o reator de gaseificação e o de combustão.
Alguns exemplos de gaseificadores com potencial de utilização para a produção de gás de síntese são:
• Renugas (GTI): Leito Fluidizado Borbulhante, vapor + O2.
• Carbo V (pirólise + gaseificação): Leito fluidizado borbulhante, O2.
• HTW (High Temperature Winkler): O2 + vapor.
• DMT: aquecimento indireto (vapor como portador de calor).
• Batelle/Ferco: Duplo leito fluidizado de aquecimento indireto.
• FICFB: Planta de Gussing na Áustria.
• Processo AER: gaseificação a vapor com absorção do CO2 a fim de que o gás apresente altos
teores de hidrogênio, superiores a 70%.
• Gaseificadores de leito arrastado da Shell, Siemens, Lurgi e Texaco.
Atualmente, as pesquisas estão encaminhadas no desenvolvimento de tecnologias de gaseificação
que apresentem melhores desempenhos e qualidades do gás, a fim de ser implementadas nos processos
de produção de gás de síntese.
6.8.1 Produção e custo do oxigênio
A maioria das opções de produção de biocombustíveis pela rota termoquímica a partir do gás de
síntese prevê a utilização de agentes de gaseificação sem nitrogênio, a fim de ter um gás com maiores
teores de CO e H2. O custo de oxigênio é um “gargalo” para a utilização em grande escala destas tecnologias. Existem dois tipos de tecnologias para a produção de oxigênio, a criogênica (destilação à baixa
temperatura), a qual apresenta maior viabilidade para grandes volumes de O2, e as não criogênicas,
baseadas nas diferenças de propriedades entre diferentes compostos gasosos, tais como estrutura molecular, tamanho e massa dos compostos gasosos. Usualmente, esta tecnologia, utiliza dois mecanismos:
a adsorção e as membranas. A produção de oxigênio por meio desta tecnologia é preferida quando não
se requer uma alta qualidade do produto e/ou um volume pequeno (< 100 t/dia). Na figura 6.37 apresenta-se uma comparação dos custos de investimentos e de operação dos sistemas de separação de ar.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
466 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.37 Comparação de custos de investimento e de operação nos sistemas convencionais e avançados de
separação do ar. Imagem cortesia de Air Products. © Air Products and Chemicals, Inc All Rights Reserved. Oxygen
Production Technologies: Cryogenic and ITM.
Em 2001 o preço do O2 para grandes volumes era 0,21 US$/kg (dependendo do custo da energia).
Uma nova tecnologia: ITM (Ion Transport Membrane), Membrana de Transporte de Íons está em desenvolvimento. Neste processo são utilizadas membranas cerâmicas condutoras não porosas, as quais, e a
partir de altas temperaturas no fluxo gasoso (800-900oC), facilitam a migração íons de oxigênio através
da membrana (figura 6.38). Espera-se uma redução no custo de produção de O2 em torno de 30%
(FOGASH, 2007).
Figura 6.38 Princípio do processo ITM Oxygen. Imagem cortesia de Air Products. © Air Products and Chemicals, Inc
All Rights Reserved. Oxygen Production Technologies: Cryogenic and ITM.
Requisitos de potência para a produção de oxigênio (FOGASH, 2007):
• Processo criogênico: 235 kWh/t (capacidade da planta: 3 200 t/dia).
• ITM Oxygen: 147 kWh/t (capacidade da planta: 3 400 t/dia).
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 467
A Air Products testou entre 2006 e 2007 um módulo de membranas de 0,5 t/dia, obtendo O2 com
mais de 97% de pureza. Está prevista a construção de uma planta de 2 000 t/dia.
6.9 ESTADO-DA-ARTE DA GASEIFICAÇÃO PARA GÁS DE SÍNTESE NO MUNDO
Atualmente não existem tecnologias de gaseificação com limpeza e condicionamento do gás que,
atendendo à capacidade, indicadores de desempenho e qualidade do gás obtido, possam ser utilizadas em
plantas comerciais para a síntese de biocombustíveis. O desenvolvimento da tecnologia de gaseificação
para gás de síntese se realiza em dois níveis: o aperfeiçoamento em plantas demonstrativas de alguns modelos de gaseificadores já testados em anos anteriores, visando avaliar a possibilidade de ser escalonado
para plantas comerciais; e a realização de testes em plantas-piloto localizadas em centros de pesquisas e
universidades de novos sistemas de gaseificação, filtros e sistemas de limpeza, tecnologias de condicionamento do gás e novos processos de síntese. Os detalhes de algumas tecnologias de gaseificação com
potencial de utilização para a produção de gás de síntese no mundo são apresentadas a seguir.
• Renugas (GTI): Leito Fluidizado Borbulhante vapor + O2
O processo Renugas® desenvolvido pelo GTI (figura 6.39) foi escalado partindo de um processopiloto de 12 t/dia de biomassa até uma planta demonstrativa de gaseificação de bagaço de 100 t/dia em
Maui, Hawaii, USA. Os testes realizados nesta planta tinham como objetivo avaliar o desempenho da
gaseificação pressurizada de bagaço de cana com ar. Graves problemas foram encontrados nas tecnologias
de manuseio e alimentação de biomassa de baixa densidade (BABU e LEADER, 2006). O projeto foi
interrompido em 1997.
Figura 6.39 Processo RENUGAS. Reproduzida com permissão de Babu e Leader (2006). Perspectives on Biomass
Gasification.
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468 BIOCOMBUSTÍVEIS
• Tecnologia Carbo V (pirólise + gaseificação): Leito arrastado com O2
A Empresa Choren Industries GmbH utiliza a tecnologia de gaseificação em leito arrastado para
a produção de combustíveis líquidos a partir do processo Fisher-Tropsh. Como dito anteriormente, os
reatores de leito arrastado são de fácil escalonamento e garantem a produção de um gás livre de alcatrões
e cinzas, como consequência da alta temperatura de operação no interior do mesmo. O fato de se utilizar
oxigênio como agente de gaseificação garante um alto poder calorífico ao gás.
O processo de gaseificação Carbo-V® da CHOREN é composto por três etapas (RUDLOFF, 2005).
Na primeira etapa a biomassa é submetida à oxidação parcial à baixa temperatura (em torno de 500oC),
produzindo gases com alcatrão e coque. A segunda etapa consiste na oxidação dos produtos gasosos obtidos na primeira etapa (gás e alcatrões) a uma temperatura em torno de 1 400oC. A terceira etapa consiste
na gaseificação em fluxo arrastado do resíduo de carbono restante e outros componentes. A temperatura
do processo é aproximadamente a 800oC. O gás de síntese livre de alcatrão passa à etapa de conversão em
combustível líquido por meio do processo FT (figura 6.40). Em 2007 começou a construção em Freiberg,
Alemanha, de uma planta demonstrativa para a produção de 15 000 t/ano de combustíveis e produtos
químicos.
Figura 6.40 Processo CHOREN Carbo-V®. Reproduzida com permissão de Babu e Leader (2006). Perspectives on
Biomass Gasification.
• HTW (High Temperature Winkler): O 2+ vapor
O processo High Temperature Winkler (HTW) foi desenvolvido pela Rheinische Braunkohlenwerke
AG, na Alemanha, e consiste num reator de leito fluidizado pressurizado que utiliza oxigênio/ar e vapor
como agentes de gaseificação (figura 6.41). O processo é realizado a pressões superiores a 10 bar e temperaturas na faixa de 800-1 000oC. O gaseificador foi extensivamente testado com lignito como combustível, e relações de fornecimento (vapor + oxigênio)/lignita de 0,41 kgvapor + 0,36 Nm3O2 por kg de lignito.
A conversão do carbono mostrou valores de 96% e um rendimento monóxido de carbono + hidrogênio
de 1,4 Nm3/kg de lignito (MEYER, 2006).
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 469
Figura 6.41 Esquema do processo de gaseificação em leito fluidizado (ZUBERBÜHLER, 2006).
As principais características do processo são: (I) possibilidade de ser escalado para grandes capacidades; (II) gás de alta pureza satisfatória para a síntese do metanol; (III) flexibilidade para uma grande
variedade de combustíveis (lignita, madeira, biomassa, etc.); e (IV) a flexibilidade para a produção de
compostos químicos e outros combustíveis (gás de síntese, hidrogênio, combustíveis gasosos e líquidos).
Uma planta de demonstração foi construída em 1986 em Wesseling, Alemanha, com uma capacidade de
produção de 37 000 Nm3/h de gás de síntese para a produção de metanol (14 t/h) a partir de lignita. A
composição esperada do gás para os casos de gaseificação de madeira e palha, obtida por modelagem, é
mostrada na tabela 6.30.
Tabela 6.30 Composição do gás produzido no gaseificador-piloto HTW, obtida por modelagem. Reproduzida com
permissão de Meyer (2006). HTW Gasification Technology for BtL-Fuels, Synthetic Biofuels – Techniques, Potentials,
Perspectives
Parâmetros
Unidades
Madeira
Palha
kg/h
2 170
2 432
Vazão mássica de combustível
m3/h (STP)
650
265
Nm3/h
4 453
4 236
Vazão mássica de gás
kg/h
4 528
4 405
Potência térmica do gás
MWt
8,6
8,5
ºC
900
900
5,7
33,1
30,6
30,1
0,03
0,4
90
0
770
4,9
33,9
31,3
27,8
0,1
0,8
120
2290
770
Vazão volumétrica de gás
Temperatura do gás
Composição do gás
CH4
CO
CO2
H2
H2S
N2
NH3
HCl
C6H6
Eficiência a frio
Vazão mássica de cinzas
%,
%,
%,
%,
%,
%,
vol. seco
vol. seco
vol. seco
vol. seco
vol. seco
vol. seco
ppm
ppm
ppm
%
81
82
kg/h
17,0
93,3
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470 BIOCOMBUSTÍVEIS
• Gaseificador DMT: Aquecimento indireto
Este gaseificador de aquecimento indireto com vapor como agente de gaseificação foi desenvolvido
pela DMT, na Alemanha. Neste processo o calor requerido para a gaseificação da biomassa é fornecido
mediante a combustão de parte do gás de síntese. Em contraste com outros processos alotérmicos, os
produtos da combustão, utilizados como agentes de gaseificação misturados com vapor, não são separados do gás de síntese. Caso se queira evitar a presença de nitrogênio no gás de síntese deve-se utilizar
oxigênio puro na combustão da parcela de gás de síntese.
A gaseificação acontece num reator de leito fluidizado estacionário com pressão de 4 bar e temperatura de 850oC. O gás quente passa através de um ciclone, a fim de retirar as partículas maiores presentes no gás e posteriormente por um trocador de calor, onde é gerado o vapor requerido pelo processo.
Finalmente o gás é filtrado e direcionado para um quench com água e um segundo filtro de leito fixo. A
composição do gás varia em dependência da utilização de oxigênio ou de ar como agentes de combustão.
A composição típica do gás produzido utilizando oxigênio como agente de combustão é apresentada na
tabela 6.31.
Tabela 6.31 Composição do gás produzido no gaseificador DMT. Reproduzida de Zuberbühler et alii (2006).
Gasification of Biomass – An Overview on Available Technologies
Gás
% em vol.
H2
37,5
CO
15,9
CO2
34,9
CH4
9,2
C2H4
2,2
N2
0,3
O uso de vapor como portador de calor em comparação com um reator de aquecimento direto, gera
um gás de síntese com uma alta concentração de hidrogênio e baixo teor de sólidos e alcatrão. Como
já dito, uma parte do gás produzido é queimada com ar ou oxigênio a fim de fornecer calor na zona de
gaseificação. O PCI do gás produzido varia em torno de 10,5 MJ/Nm3, se o oxigênio for usado para o
processo de combustão. Nos anos 1980, uma planta-piloto com 500 kg/h de capacidade foi testada e
operada por 27 000 horas (ZuberbÜhler et alii, 2006). Um esquema do processo de gaseificação da
DMT é mostrado na figura 6.42.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 471
Figura 6.42 Esquema do Processo DMT. Reproduzida de Zuberbühler et alii (2006). Gasification of Biomass – An
Overview on Available Technologies.
• Batelle/Ferco: leito fluidizado duplo de aquecimento indireto
A empresa Batelle/FERCO realizou o processo de gaseificação em leito fluidizado duplo SilvaGas
partindo de uma planta-piloto de 10 t/dia para uma planta de demonstração de 200 t/dia, a qual está
localizada em McNeil perto de Burlington, Vermont, USA. No final de 2000, foi demonstrada a possibilidade de operação contínua da planta com taxas de alimentação superiores a 320 t/dia. O gás de síntese
produzido tem um poder calorífico na faixa 11-14 MJ/Nm3 e a eficiência de conversão de carbono no
gaseificador atingiu uma média de 80% (PAISLEY et alii, 2004). Atualmente a FERCO prossegue ativamente com o programa de comercialização do processo SilvaGas. Um esquema do gaseificador é mostrado na figura 6.43 e os resultados da composição e poder calorífico do gás na tabela 6.32. Na tecnologia
SilvaGas operam em paralelo dois sistemas de leito fluidizado, um combustor e um gaseificador. A areia
à alta temperatura é transportada do combustor ao gaseificador, constituindo o portador de calor. Ao
combustor retorna uma mistura de areia e coque provenientes do gaseificador. A combustão do coque
constitui a fonte de calor de todo o processo. O agente de gaseificação utilizado é o vapor.
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472 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.43 Processo SilvaGas, Batelle/FERCO. Reproduzida de Paisley et alii (2004). FERCOS’S Silvagas biomass
gasification process commercialization opportunities for power, fuels and chemicals.
Tabela 6.32 Composição e PCS do gás na unidade-piloto e na planta de Vermont. Reproduzida de Paisley et
alii (2004). FERCOS’S Silvagas biomass gasification process commercialization opportunities for power, fuels and
chemicals
% do composto
Composto
Unidade-piloto
10 t/dia
Planta de Vermont
100 t/dia
H2
17,5
22,0
CO
50,0
44,4
CO2
9,4
12,2
CH4
15,5
15,6
C2H4
6,0
5,1
C2H6
1,1
0,7
18,5
17,3
PCS do gás (MJ/Nm3)
• Gaseificador FICFB (Fast Internally Circulating Fluidized Bed): Planta de Gussing
na Áustria
A Universidade Técnica de Viena (TUV) desenvolveu o processo Fast Internally Circulating Fluidized Bed
(FICFB), que emprega aquecimento indireto na gaseificação da biomassa com vapor para produzir gás de
síntese. Este sistema de gaseificação foi implementado numa usina de 8 MWt, localizada em Burgenland,
Gussing na Áustria. A mesma produz 2 MWe e 4,5 MWt para aquecimento distrital. Outros dados de proARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 473
jeto desta planta são mostrados na tabela 6.33. Recentemente uma planta BTL e outra para a produção de
GNS foram acopladas ao gaseificador a jusante do sistema de limpeza. O poder calorífico do gás de síntese
é 12-14 MJ/Nm3. A figura 6.44 mostra o esquema geral da planta.
Tabela 6.33 Dados de projeto e de operação da planta Gussing. Reproduzida de http://www.ficfb.at
Parâmetros
Dados de projeto
Partida do gaseificador
Novembro 2001
Partida do MACI
Combustível
Dados de operação
Abril 2002
Aparas de madeira
Aparas de madeira
15%
25-40%
Potência térmica de entrada
8 000 kW
8 500-9 500 kW
Potência elétrica de saída
2 000 kW
2 000 kW
Potência térmica de saída
4 500 kW
4 500 kW
Eficiência elétrica
25,0%
20-23%
Eficiência térmica
56,3%
45-53%
Eficiência total
81,3%
65-76%
Umidade do combustível
Figura 6.44 Diagrama do processo da usina em Burgenland, Gussing. Reproduzida com Permissão de Rauch e
Hofbauer (2003). Wirbelschicht-Wassendampf-Vergasung in der Anlagen Gussing: Betriebserfahrungen aus zwei
Jarhen Demonstrationsbetrieb.
O sistema de gaseificação FICFB consiste na operação conjunta de dois reatores de leito fluidizado:
um de combustão e outro de gaseificação com vapor. No reator de combustão, com uma temperatura
de 1 000oC aquece-se o inerte, que posteriormente à separação num ciclone irá propiciar a gaseificação
da biomassa com vapor no reator de gaseificação. A figura 6.45 mostra um esquema do princípio de funcionamento do FICFB e um esquema do sistema propriamente dito. Na tabela 6.34 são apresentados os
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474 BIOCOMBUSTÍVEIS
principais componentes do gás e o teor de impurezas antes e depois do sistema de limpeza, composto
por um resfriador de gás, um filtro de mangas e um lavador que utiliza óleo vegetal como fluido de trabalho. Os resíduos sólidos e líquidos dos sistemas de limpeza são injetados no reator de combustão. Um
esquema da planta-piloto BTL acoplada ao gaseificador é mostrado na figura 6.46.
(a)
(b)
Figura 6.45 Gaseificador de leito fluidizado com recirculação interna da Planta Gussing: a) Princípio de funcionamento;
b) Esquema do reator. Adaptada de Pfeifer et alii (2007); Rauch e Hofbauer (2003).
Tabela 6.34 Componentes principais e impurezas no gás no gaseificador da planta de Gussing. Reproduzida de
Bolhar-Nordenkampf e Hofbauer (2004). Gasification demonstration plants in Austria
Componente
Unidades
Faixa de variação
H2
% em, vol.
35-40
CO
% em vol
20-30
CO2
% em vol
15-25
CH4
% em vol
8-12
N2
% em vol
3-5
Alcatrão*
mg/Nm3
1 500-4 500/10-40
Partículas*
mg/Nm3
5 000-10 000/<5
Amônia*
ppm
1 000-2 000/< 400
H2S*
ppm
Não medido/20-40
* Gás sujo/Gás limpo.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 475
Figura 6.46 Esquema da unidade BTL acoplada ao gaseificador da planta de Gussing. Reproduzida com permissão
de Hofbauer (2008). Fischer-Tropsch-Fuels and Bio-SNG.
6.9.1 Pesquisas em gaseificação para a produção de gás de síntese
Os principais centros de pesquisa no mundo que atualmente estão trabalhando no tema do desenvolvimento de gaseificadores, sistemas de limpeza e catalisadores para a produção de gás de síntese com
a qualidade requerida são:
• Universidade de Delft na Holanda, Divisão de Energia e Processos: gaseificação em leito fluidizado circulante com vapor e oxigênio.
• ECN (Energy Research Centre of Netherlands) na Holanda: gaseificador BIVKIN tipo LFC, e um outro de leito arrastado. Destaca-se o desenvolvimento da tecnologia OLGA para limpeza do gás.
• CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) na Espanha: planta de
gaseificação de biomassa em leito fluidizado circulante com ar.
• VTT (Technical Research Centre of Finland) na Finlândia: gaseificação em leito fluidizado pressurizado com misturas de O2 e vapor (figura 6.50).
• FZK (Forschungszentrum Karlsruhe GmbH) na Alemanha: gaseificação de misturas de óleos de
pirólise de coque num gaseificador-piloto de leito arrastado.
• TUV na Viena, coordena os projetos de pesquisa relacionados com o sistema FICB e a obtenção
de biodiesel e GNS a partir do gás de síntese.
• FRAUNHOFER UMSICHT (Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT)
em Oberhausen, Alemanha. Planta-piloto de gaseificação em leito fluidizado circulante de 500
kWe acoplada a um MACI através de um sistema catalítico de limpeza dos gases (Ising et alii,
2004).
• Centro de gaseificação de biomassa Värnamo – Vaxjo: projeto CHRISGAS da União Europeia.
A seguir são apresentados os detalhes e resultados preliminares dos projetos em andamento na Universidade de Delft e no Centro de Gaseificação de Biomassa Värnamo – Vaxjo (Projeto CHRISGAS).
• Universidade de Delft
Descrição da planta-piloto de gaseificação de biomassa em leito fluidizado circulante (SIEDLECKI
et alii, 2007):
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
476 BIOCOMBUSTÍVEIS
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Tipo de gaseificador: Leito fluidizado circulante.
Capacidade térmica: 100 kWt.
Taxa de alimentação de biomassa: 20 kg/h.
Tipo de agente de gaseificação: Oxigênio e vapor.
Diâmetro do reator: 83 mm.
Altura do reator: 5,5 m.
Material inerte: areia com diâmetro médio de partícula de 386 μm.
Sistema de partida: aquecimento externo com resistências.
Filtro cerâmico com temperatura de operação de 450oC.
Trata-se de um gaseificador de pequena capacidade para fins de pesquisa onde se buscam aperfeiçoar
todos os seus parâmetros operacionais e conhecer a sua relação com as características do gás gerado. A
figura 6.47 apresenta um esquema da planta. A variação da composição do gás em função do coeficiente
estequiométrico λ (fator de ar) é mostrada na figura 6.48. Apresenta-se também a composição do gás para
diferentes tipos de biomassa (tabela 6.35) e a sua comparação com os resultados de testes de gaseificação
de biomassa em misturas vapor/oxigênio realizados por outros autores (tabela 6.36). A granulometria das
partículas sólidas presentes no gás de síntese é mostrada na figura 6.49.
Figura 6.47 Esquema geral do gaseificador de LFC da Universidade de Delft. Reproduzida de Siedlecki et alii
(2007). Characterization of gaseous and condensable components in the product gas obtained during steam-oxygen
gasification of biomass in a 100 KWTH CFB gasifier.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 477
Figura 6.48 Composição do gás em função do fator de ar no gaseificador do LFC da Universidade de Delft.
Reproduzida de Siedlecki et alii (2007). Characterization of gaseous and condensable components in the product gas
obtained during steam-oxygen gasification of biomass in a 100 kWth CFB gasifier.
Tabela 6.35 Parâmetros de operação e composição dos gases no gaseificador de LFC da Universidade de Delft.
Reproduzida de van der Nat et alii (2005). Particle size characterization of particles present in the producer gas of a
steam and oxygen blown biomass circulating fluidized bed gasifier
Propriedade
Madeira A
Madeira B
Mistura
Temperatura,ºC
816
802
746
Coeficiente estequiométrico
0,53
0,52
0,48
CO2, % em, vol.
37,1
30,8
36,7
CO, % em vol.
21,9
19,2
22,5
H2, % em vol.
15,1
14,0
13,9
N2, % em vol.
18,6
17,0
21,2
CH4, % em vol.
6,5
5
6,5
H2O, % em vol.
50
52
53,5
Tabela 6.36 Comparação de composição do gás obtida em testes de gaseificação de biomassa de diferentes
autores, utilizando misturas oxigênio/vapor como agente de gaseificação. Reproduzida de Siedlecki et alii (2007).
Characterization of gaseous and condensable components in the product gas obtained during steam-oxygen
gasification of biomass in a 100 kWth CFB gasifier
Componente
Delft
Uil (2004)
Gil, 1997
CO, % em vol., seco
36-42
27
30-50
H2, % em vol., seco
17-20
32
13-29
CH4, % em vol., seco
9-11
8
5-7,5
CO2, % em vol., seco
21-27
29
14-37
Alcatrão, g/Nm
18-23
11
2-50
H2O, % em vol., gás sujo
50-57
28
32-60
3
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
478 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.49 Granulometria das partículas sólidas contidas no gás de síntese. Reproduzida de van der Nat et alii
(2005). Particle size characterization of particles present in the producer gas of a steam and oxygen blown biomass
circulating fluidized bed gasifier.
O centro de pesquisas VTT (Technical Research Center) da Finlândia possui uma planta-piloto de
gaseificação em leito fluidizado pressurizado, cujo esquema é mostrado na figura 6.50.
Figura 6.50 Esquema da planta-piloto de gaseificação em leito fluidizado pressurizado do VTT (Finlândia) para a
obtenção de gás de síntese (NIEMINEN, 2008).
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 479
• O Projeto Clean Hydrogen-Rich Synthesis Gas – CHRISGAS
Este projeto tem como objetivo a produção de gás de síntese rico em hidrogênio que possa ser usado como matéria-prima na produção de combustíveis para o setor de transporte (figura 6.51). O projeto
CHRISGAS está sendo implementado na planta de gaseificação em Värnamo, Suécia (figura 6.52), sob
a coordenação da Universidade Växjö da Suécia, e com o apoio financeiro da União Europeia. Participam deste projeto cientistas da Universidade de Delft, KTH, CIEMAT e outras instituições. A planta
de Värnamo (figura 6.52) será reconstruída a fim de instalar um novo sistema de fornecimento de vapor
e oxigênio, um novo filtro a quente para a limpeza do gás e um reformador catalítico à alta temperatura
(figura 6.53).
Figura 6.51 Processo Clean Hydrogen-Rich Synthesis Gas – CHRISGAS. Imagem cortesia de Chrisgas.
Figura 6.52 Planta IGCC de Värnamo, Suécia.
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480 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.53 Diagrama do processo da planta IGCC de Värnamo, Suécia, com as modificações propostas. Imagem
cortesia de Chrisgas.
Os objetivos do projeto CHRISGAS são:
• Testar novos sistemas de secagem e alimentação.
• Conduzir testes de gaseificação e obter dados operacionais com uma vazão de biomassa de 3-4 t/h.
• Avaliação de catalisadores, filtros, sistemas de limpeza do gás, etc.
A planta de Värnamo foi projetada inicialmente para gerar 6 MW de eletricidade e 9 MW de calor
para aquecimento distrital. O combustível utilizado é madeira, a qual é secada até a umidade de 5-20%.
O combustível seco e triturado é alimentado no gaseificador de LFC. O agente de gaseificação e fluidização é ar, e a temperatura de operação reporta valores na faixa de 950 e 1 000°C enquanto a pressão é
aproximadamente de 18 bar. Cerca de 10% do ar é extraído de um sistema compressor–turbina a gás, em
seguida comprimido num compressor booster e, finalmente, injetado na base do gaseificador.
O gás de síntese precisa ser condicionado antes da sua utilização como matéria-prima para a produção de biocombustíveis, sendo previstas etapas de reforma por vapor para a conversão do metano e do
alcatrão em CO e H2, e uma etapa de conversão do CO em CO2 e H2, pela reação do deslocamento da
água (figura 6.54).
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 481
Figura 6.54 Condicionamento do gás de síntese.
Depois do gaseificador, o gás produzido passa para um trocador de calor de resfriamento e um
filtro de gás quente. O gás é queimado em uma câmara de combustão e expandido em uma turbina a
gás, gerando 4,2 MW de eletricidade. Os gases de exaustão da turbina a gás passam por uma caldeira de
recuperação gerando vapor superaquecido. O qual é utilizado em uma turbina a vapor (40 bar, 455oC),
gerando 1,8 MWe.
6.10 Pesquisas em gaseificação DE BIOMASSA no Núcleo de Excelência
em Geração Termelétrica e Distribuída – NEST da Universidade Federal
de Itajubá – UNIFEI
Os tipos de gaseificadores testados nos laboratórios do NEST/UNIFEI são: de leito fixo de fluxo cruzado, de leito fixo tipo cocorrente com duplo estágio de fornecimento de ar e de leito fluidizado
borbulhante, todos utilizando ar como agente de gaseificação e operando a pressão atmosférica. Os
resultados obtidos permitem comparar diferentes aspectos, tais como a qualidade do gás, o impacto dos
métodos internos e externos de limpeza, as dificuldades de operação do equipamento, etc. Os instrumentos utilizados para a determinação do conteúdo de alcatrão e partículas no gás foram projetados com base
em informações e dados publicados pela ECN por van Paasen (2007).
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482 BIOCOMBUSTÍVEIS
6.10.1 Leito fixo de fluxo cruzado
Este gaseificador foi adquirido para a montagem de um módulo gerador mediante seu acoplamento
a um motogerador à gasolina, cujo esquema é mostrado na figura 6.55. Um dos principais objetivos do
estudo experimental foi avaliar o desempenho de um sistema catalítico de limpeza do gás composto por
elementos de níquel, mediante a determinação da sua eficiência na conversão do alcatrão em moléculas
de menor tamanho. O gaseificador tem uma capacidade térmica de 46,5 kW. O gás gerado se caracteriza por ter um PCI de aproximadamente 3 MJ/Nm³ (considerando só as concentrações de CO, CH4
e o H2). Alguns dos principais problemas observados foram: travamento da biomassa no reator, o que
afeta o seu movimento descendente e seu consumo, altos teores de alcatrão, instáveis valores do poder
calorífico do gás.
Figura 6.55 Diagrama esquemático do módulo gerador gaseificador de leito cruzado/motogerador à gasolina.
6.10.2 Leito fixo tipo cocorrente com duplo estágio de fornecimento de ar
Este gaseificador foi projetado e construído pela Empresa Termoquip Energia Alternativa Ltda. localizada na cidade de Campinas, Estado de São Paulo, Brasil (figura 6.56). Em cooperação com a equipe
do NEST foram realizadas duas sessões de testes neste tipo de gaseificador nas instalações da própria
empresa. Trata-se de um gaseificador de tipo cocorrente com capacidade de gerar até 90 Nm³/h de gás a
partir de um consumo médio de 30 kg/h de lenha. A eficiência térmica de projeto é de 70%. A gaseificação com duplo estágio é um método primário de controle do teor de alcatrão no gás (BHATTACHARYA
et alii, 1999). Isto é devido à criação de uma zona adicional de oxidação que permite o craqueamento dos
hidrocarbonetos pesados, isto é, o rompimento das moléculas de alcatrão para gerar moléculas de menor
tamanho.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 483
Figura 6.56 Fotografia do gaseificador cocorrente com duplo estágio de gaseificação.
6.10.3 Leito fluidizado borbulhante
Este gaseificador foi construído pela Termoquip Energia Alternativa Ltda. tendo como base os
resultados da sua modelagem usando o software CSFB-Comprehensive Simulator of Fluidized Bed (de
SOUZA-SANTOS, 1989), a qual foi conduzida por especialistas do NEST (VAN DEN ENDEN e LORA,
2004). Trata-se de um reator de 6 metros de altura e 990 mm de diâmetro externo (figura 6.57). O sistema
de alimentação é composto por um silo inferior, um transportador de rosca até o silo superior, uma válvula rotativa e um alimentador de rosca sem-fim de velocidade variável, usado para introduzir a biomassa
no leito (figura 6.58a). A partida é realizada utilizando um queimador (figura 6.58b) que fornece gases à
alta temperatura para o aquecimento inicial do leito.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
484 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.57 Esquema do sistema de gaseificação em leito fluidizado borbulhante do NEST.
Figura 6.58 Sistema de alimentação de biomassa (a); queimador de partida (b).
O problema mais sério que apresentou o gaseificador está relacionado com a alimentação da biomassa. Foi necessário projetar e construir uma rosca sem-fim com uma união Cardan, a qual permite
deslocamentos no sentido radial num ponto do eixo, garantindo seu funcionamento com possibilidades
mínimas de travamento.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 485
6.10.4 Resultados dos testes nos diferentes tipos de gaseificadores
6.10.4.1 Leito fixo de fluxo cruzado
Durante os experimentos o gás resultante da gaseificação foi dividido em duas correntes. A primeira
foi queimada na câmara de combustão anexa ao gaseificador a fim de garantir a temperatura necessária
para a operação do sistema de limpeza catalítica (800-850oC). A segunda corrente foi tratada no catalisador e utilizada para acionar um motogerador à gasolina de 10 kWe de potência. O poder calorífico do gás
foi determinado a partir da sua composição química e apresentou valores médios entre 3 e 3,7 MJ/Nm3,
antes e depois do sistema de limpeza catalítica do gás, respectivamente. A tabela 6.37 apresenta os dados
da composição química média do gás para os dois casos. É possível observar que o teor de hidrogênio é
praticamente duplicado como consequência do craqueamento catalítico do alcatrão.
Tabela 6.37 Composição química do gás gerado no gaseificador
Ponto de amostragem de gás
CO, % vol
H2, % vol
CH4, % vol
Antes do sistema de limpeza
13,8
3,14
2,40
Após o sistema de limpeza
16,3
7,07
2,3
6.10.4.2 Leito fixo e de fluxo cocorrente com duplo estágio de fornecimento de ar
Os resultados obtidos nos testes em relação à composição do gás são apresentados na tabela 6.38.
Observa-se um acréscimo da concentração de CO no gás quando se opera com duplo estágio de fornecimento de ar, assim como a redução da concentração de hidrogênio e de metano. O poder calorífico do
gás passou de 4,32 para 4,36 MJ/Nm³. A redução da concentração de alcatrão no gás com a implementação de um segundo estágio foi de 92%.
Tabela 6.38 Composição química e concentração de alcatrão no gás durante a operação do gaseificador com um
e dois estágios de fornecimento de ar
CO, %
H2, %
CH4, %
Alcatrão
[mg/Nm3]
Partículas
sólidas
[mg/Nm3]
Simples estágio
16,5
13,36
2,22
1434,0
309,0
Duplo estágio
21,5
12,68
0,78
107,1
100,0
Tipos de gaseificadores
cocorrentes
6.10.4.3 Leito fluidizado borbulhante
Nos testes realizados com este gaseificador os melhores resultados corresponderam a um fator de ar
de 0,22. A composição do gás pobre obtido nesta condição foi de 17,8% de monóxido de carbono, 4,5%
de metano e 1,71% de hidrogênio. Para esta composição corresponde um PCI de 4,04 MJ/Nm³. A figura
6.59 mostra a variação da composição do gás com o fator de ar.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
486 BIOCOMBUSTÍVEIS
Figura 6.59 Variação da concentração de CO, CH4 e H2 no gás em relação ao fator de ar para a gaseificação de
casca de arroz em leito fluidizado borbulhante.
A concentração média de alcatrão e de partículas sólidas no gás foi de 11 260 e 1 180 mg/Nm3, respectivamente, durante a operação com casca de arroz. Com bagaço de cana os resultados foram de 2 640
e 9 460 mg/Nm3, respectivamente.
6.10.4.4 Análise comparativa dos resultados nos gaseificadores testados
A avaliação dos resultados nos três gaseificadores (figura 6.60) permite concluir:
Figura 6.60 Qualidade do gás nos gaseificadores testados. Reproduzida com permissão de Andrade (2007).
Gaseificação de biomassa a uma análise teórica e experimental.
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 487
A limpeza catalítica do gás permite melhorar a qualidade do gás de gaseificação como consequência
do craqueamento do alcatrão. Os testes realizados num gaseificador de leito fixo de fluxo cruzado mostraram um acréscimo do poder calorífico de 23%.
A gaseificação em duplo estágio permite uma redução significativa da concentração de alcatrão no
gás de gaseificação. Nos testes realizados esta redução foi de 92%.
O poder calorífico do gás obtido nos gaseificadores testados foi: gaseificador de leito fixo de fluxo
cruzado: 3,0-3,7 MJ/Nm3; gaseificador de leito fixo de fluxo cocorrente com duplo estágio de fornecimento de ar: 4,32-4,36 MJ/Nm3; e gaseificador de leito fluidizado borbulhante: 4,0-4,34 MJ/Nm3. Estes
valores, apesar de serem obtidos para biomassas e condições de operação diferentes, permitem obter
conclusões sobre as dificuldades de atingir uma boa qualidade do gás em gaseificadores de leito fixo de
fluxo cruzado, e as potenciais vantagens neste sentido dos gaseificadores com duplo estágio de fornecimento de ar.
O gaseificador de leito fluidizado apresenta uma concentração de alcatrão e de particulados menor
se comparado ao gaseificador com duplo estágio de fornecimento de ar.
6.10.5 Testes de um conjunto gaseificador de duplo estágio / motor de combustão
interna
Foi realizado o projeto, montagem e testes de um sistema modular de microgeração que inclui um
gaseificador de biomassa de leito fixo tipo cocorrente com duplo estágio de fornecimento de ar e um
motogerador diesel convertido à ignição por centelha de 10 kWe.
• Gaseificador
O gaseificador cocorrente é do tipo duplo estágio, fabricado pela Empresa Termoquip Energia
Alternativa Ltda, em aço-carbono com revestimento interno de material refratário. A altura total do equipamento é de 2,20 m, o diâmetro externo é 0,5 m e o diâmetro interno de 0,30 m.
A fim de evitar possíveis problemas com a movimentação da biomassa e a formação de canais preferenciais do gás, o gaseificador é equipado com dois vibradores (VI), um localizado no fundo do silo de
biomassa e o outro na parte inferior do gaseificador para a movimentação da grelha. Ambos os vibradores são acionados por temporizadores. As características técnicas do gaseificador são apresentadas na
tabela 6.39.
Tabela 6.39 Características do gaseificador
Denominação
Potencia térmica
Potencia térmica específica
Valor
50 kWt
1200±500 kWt
Consumo de biomassa (base seca)
10 kg/h
Consumo de biomassa (base úmida)
12 kg/h
Tamanho da biomassa
2-6 cm
Fator de ar
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0,35
488 BIOCOMBUSTÍVEIS
• Termopares
Ao longo do gaseificador foram instalados 6 termopares que registram a temperatura no interior
do reator em diferentes pontos (T1, T2, T3, T4, T5, T6) e a temperatura do gás (T9), o que permite a
regulação e controle das condições de operação do mesmo (figura 6.61).
Figura 6.61 Desenho esquemático e fotografia do gaseificador
• Fornecimento de ar ao reator
O reator oferece a possibilidade de trabalhar com dois estágios de fornecimento de ar; o controle do
fluxo de ar e da temperatura é realizado por duas placas de orifícios calibrados (TT, FT) e um termopar
foi instalado na linha de fornecimento de ar (T10). O ar é fornecido por um compressor de alta pressão
(SO), passando primeiro por um trocador de calor de gases/ar antes de entrar no reator (TC1).
• Sistema de limpeza do gás
O gás gerado sai pela parte inferior do reator, passando através da zona de gaseificação e da grelha,
o que favorece a limpeza do mesmo. A remoção de material particulado contido no gás é realizada através
de um ciclone (CI), após o qual ele é conduzido a uma chaminé com um flare onde é queimado durante o
aquecimento do reator ou para um reator de reforma catalítica (RRC).
O reator de reforma catalítica, composto de elementos de níquel e opera a uma temperatura entre
800-900ºC, tem o objetivo de transformar o alcatrão que não foi destruído no gaseificador. A temperatura
no reator é obtida pela queima de uma parte do gás gerado misturado com uma fração do ar alimentado
pelo ventilador. Este ar é controlado por uma válvula solenoide que é ativada em função da temperatura
do gás. A temperatura do gás na saída do reator é medida por um termopar.
Depois que o gás sai do reator, passa por um segundo trocador de calor (TC2) (água/gás), um removedor de condensado, e segue para o filtro de mangas (FM), onde são separados os sólidos finos não
coletados no ciclone.
Finalmente, o gás é armazenado em um tanque pulmão com um selo de água (GA), que ajuda a
condensar o alcatrão remanescente no gás e mitiga as demandas súbitas de gás, quando se alimenta um
motor de combustão interna.
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 489
• Motor de combustão interna
A máquina utilizada é um motor diesel de quatro tempos marca YANMAR BTD 22, modificado
para uso com gás, adicionando a ele um mecanismo de dosagem e variando o ponto de ignição em
15ºBTDC (figura 6.62).
Figura 6.62 Foto do motogerador Yanmar modificado pela CET para a operação com gás.
O gráfico da figura 6.63 apresenta o comportamento do gaseificador relacionado às temperaturas
das principais zonas desde a condição a frio até atingir a condição correspondente ao regime de gaseificação. Também é possível verificar o comportamento das temperaturas medidas ao longo do gaseificador.
Os termopares são posicionados e identificados de acordo com as zonas de reação. Dessa forma, é possível observar o comportamento operacional de cada uma delas.
Figura 6.63 Gráfico de partida do gaseificador desde a temperatura ambiente.
Fazendo uma análise dos resultados obtidos nos testes experimentais com base na estabilidade da
operação, composição do gás gerado, eficiência e potência térmica do gaseificador e poder calorífico do
gás, observa-se que a condição mais adequada para a alimentação do gás ao motor é a correspondente a
uma vazão de gás de 20 Nm3/h, uma velocidade superficial de 0,16 Nm3/s, uma taxa específica de gaseificação de 200 kg/m2.h. e Ra= 80%.
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490 BIOCOMBUSTÍVEIS
Para esta condição foi obtido um fator de ar de aproximadamente 0,35, uma temperatura, na zona
de combustão, de 820°C, um teor de monóxido de carbono de 19 e 0,8% de metano, um poder calorífico
do gás de 4,55 MJ/Nm3, uma eficiência ao frio do gaseificador de 71% para uma potência térmica de
50 kWt (figuras 6.64 e 6.65). O baixo teor de metano propicia menor teor de alcatrão.
Figura 6.64 Fator de ar e PCIg para Ra = 80%.
Figura 6.65 Eficiência a frio e potência térmica do gás para Ra = 80%.
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 491
A avaliação do conjunto gaseificador/motor incluem dois aspectos:
• A perda de potência ou dearating que alcançou um valor de 40%.
• A concentração de poluentes nos gases de exaustão do motor.
Nos testes preliminares do motor funcionando com gás de biomassa, a perda de potência com relação
à potência nominal do motor era grande, tendo-se atingido um valor de potência em torno de 3 kWe. Dessa
forma, foi necessário fazer ajustes e modificações no motor. Um dos principais itens que foram modificados
foi o avanço da ignição para que o motor pudesse melhorar a sua eficiência trabalhando com gás de biomassa. O avanço ficou em 24o APMS, valor para o qual o motor pode operar em carga máxima de 5,64 kWe.
As emissões de CO foram relativamente altas, conforme mencionado por outros autores (Uma
et alii, 2004; Ahrenfeldt et alii, 2010), principalmente quando se levam em consideração os limites
impostos por órgãos ambientais, como os da Alemanha, a qual possui regulamentação para motores de
combustão interna, seja de compressão ou centelha, operando com gás pobre.
Foram obtidos valores de 2 749 a 3 822 mg/Nm³ para 5% O2. Nesse caso seria aconselhável a adoção
de um catalisador para converter o CO e baixar a sua concentração, a fim de deixá-lo em níveis adequados
à legislação. Essa solução pode ser interessante, mas deve-se observar que a umidade presente nos gases
de exaustão é alta podendo ocasionar problemas ao catalisador podendo interferir no seu funcionamento.
(a) Emissões de CO em ppm e
mg/Nm³ do motor em função
da potência elétrica.
(b) Emissão de CO em g/kWh
em função da potência elétrica
Figura 6.66 Emissões de CO em função da potência elétrica.
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492 BIOCOMBUSTÍVEIS
Para os testes realizados a melhor condição de operação, em relação à composição do gás obtido,
foi 21% de CO, 16% de H2 e 1,8% de CH4, o que fornece um gás de poder calorífico de 5 MJ/Nm³.
A operação do conjunto gaseificador/motor é facilitada quando se mantém um nível constante do
reservatório pulmão, o que permite ao motor operar sem flutuações e de forma estável. A potência máxima obtida com o motor operando com gás foi de 5,64 kWe, todavia foram registrados picos de 6 kWe.
6.10.6 Projetos em andamento e planos futuros
As principais atividades em andamento ou planejadas para serem realizadas em curto prazo no
NEST/UNIFEI relacionadas com o tema de gaseificação de biomassa são:
• Projeto, a partir da modelagem utilizando o software CSFB, de um gaseificador de leito fluidizado
circulante para a obtenção de gás de síntese, usando misturas de oxigênio/vapor como agentes
de gaseificação.
• Modelagem matemática e testes de um conjunto gaseificador/célula de combustível de óxido sólido.
• Avaliação técnico-econômica e análise do ciclo de vida da obtenção de diferentes biocombustíveis a partir do gás de síntese, produto da gaseificação da biomassa.
• Projeto de sistemas de limpeza de gases para reatores de gaseificação de biomassa.
• Modelagem dos processos de conversão do gás de síntese em combustíveis líquidos.
• Teste de gaseificação de biomassa utilizando misturas oxigênio/vapor como fluido de gaseificação.
6.11 Conclusões
As principais diferenças entre os gaseificadores existentes para a produção do gás de síntese, a
partir de biomassa, são:
(i) teor de componentes menores no gás de síntese (impurezas);
(ii) teor de componentes maiores (H2, CO, etc.);
(iii) a necessidade de uma usina de separação do ar para a produção de oxigênio. Não existe uma
tecnologia de gaseificação que cumpra com todos os requisitos para produzir gás de síntese
através de uma única etapa do processo.
Gaseificadores com aquecimento direto com ar como agente de gaseificação não são adequados
para a geração de gás de síntese devido à alta concentração de nitrogênio no gás. Gaseificadores de leito
fixo não estão qualificados para a geração de gás em escala industrial devido principalmente à limitada
capacidade (< 5 MWt). Gaseificadores alotérmicos, o de aquecimento indireto, têm a grande vantagem
de apresentar alto teor de hidrogênio no gás, mas a desvantagem é o alto conteúdo de hidrocarbonetos
(metano e alcatrão). Para superar isto e obter gás de síntese de boa qualidade são necessárias unidades de
reforma do gás.
A gaseificação da biomassa chegou a um ponto de desenvolvimento onde as primeiras aplicações,
tais como queima associada e a cogaseificação, estão se tornando comerciais, embora nenhum dos processos tenha operado o suficiente para fornecer dados reais de desempenho de processo e custos. As
principais atividades de pesquisa nesta área de biomassa para gás de síntese são:
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CAPÍTULO 6 § GASEIFICAÇÃO E PIRÓLISE PARA A CONVERSÃO DA BIOMASSA... 493
(I) o desenvolvimento de tecnologias de gaseificação incluindo a influência das propriedades de
diferentes tipos de biomassa;
(II) limpeza de gases e condicionamento, incluindo impurezas específicas da biomassa, como alcatrão e álcalis.
Conclui-se que o desenvolvimento em escala comercial para a tecnologia de produção de gás de
síntese pela rota termoquímica ainda requer pesquisas intensivas.
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