Modelagem e simulação de sistemas de gaseificação
e pirólise de carvão mineral e estudo da associação
de biomassa ao processo, Engenharia Química
Marina
1
Borgert ,
Marcos Marcelino
Universidade do Sul de Santa Catarina - UNISUL
Unidade Acadêmica de Ciências Tecnológicas - UNITEC
Grupo de Engenharia de Processos - ENGEPRO
Curso de Engenharia Química – Campus Tubarão
http://www.eqm.unisul.br
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Introdução
Gaseificação
É um processo que converte matéria orgânica em CO e H2 por reações à altas temperaturas
com quantidades controladas de oxigênio, resultando em uma mistura gasosa combustível: gás de
síntese ou syngas. Sua composição varia de acordo com o sólido utilizado e sua combustão é
mais eficiente que aquela do combustível original. Pode ser queimado diretamente em motores de
combustão interna, para produzir metanol e hidrogênio ou convertido em combustível sintético pelo
processo Fischer-Tropsch.
Pode-se utilizar como matéria prima biomassa ou resíduos orgânicos dentre outros materiais.
Para o carvão mineral, a gaseificação ocorre em dois estágios: volatilização e gaseificação. No
primeiro, há vaporização dos voláteis e pirólise, e o carvão sofre suas maiores alterações físicoquímicas, que são altamente influenciadas pelas condições de operação e pelo tipo de carvão. No
segundo estágio ocorrem diversas reações, das quais se destaca a oxidação do carbono por sua
alta entalpia (sendo exotérmica) e irreversibilidade às temperaturas normais de gaseificação (750 a
1000°C), que compõe a principal fonte de energia para que ocorram as reações endotérmicas de
formação de CO e H2. O tipo de reator utilizado e fatores como temperatura, pressão e umidade do
combustível e grau de oxigênio influenciam o processo.
Pirólise
2
Mazzucco
1 – Iniciação Científica
2 – Professor Orientador
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Na abordagem dinâmica, duas propostas foram avaliadas: o equacionamento individual das
reações envolvidas na gaseificação (JOHNSON, J. L., 1979) e o equacionamento global da
transformação de carvão ou biomassa em gás e resíduos.
Ao longo da pesquisa, encontrou-se dificuldade na obtenção de dados cinéticos do carvão para
a elaboração do modelo matemático. Observou-se porém que no processo de gaseificação as
reações do carvão acontecem rapidamente, de forma que quando associado à biomassa pode ser
negligenciado pois esta atua como fator limitante.
Na elaboração do modelo matemático da fase de pirólise da biomassa tomou-se como base o
artigo intitulado Modelling of The Pyrolysis of Biomass Particles cujas equações compunham um
problema de condições de contorno, e desenvolveu-se algoritmos de solução baseados no método
de diferenças finitas simples e no método de Crank-Nicholson, sendo que o último apresentou
melhor desempenho em relação à convergência. Na fase de implementação, faltaram dados físicoquímicos provenientes de resultados experimentais do modelo do artigo, levando a uma
simplificação que despreza o tamanho da partícula. A solução é aplicável a partículas pulverizadas,
cujas dimensões são desprezíveis para a variação de temperatura ao longo da própria partícula.
A solução do modelo simplificado foi realizada pela integração de um sistema de equações
diferenciais ordinárias através do método de Runge-Kutta, que é um método iterativo proveniente
também das diferenças finitas:
Reação 1
Na gaseificação, a pirólise é a etapa em que ocorrem as maiores mudanças no carvão. É a
decomposição térmica da matéria orgânica sólida na ausência de oxigênio, convertendo-a em
redução
gases, bio-óleo e carvão. A pirólise da madeira já foi muito utilizada para a
produção de carvão vegetal e posteriormente foi usada em grande escala
para a transformação de carvão em coque metalúrgico, aplicado
principalmente na fabricação de aço.
Na pirólise de biomassa, inicialmente ocorre a secagem do material até
temperaturas de cerca de 200°C; é favorável o uso de materiais com menor
teor de umidade. Há a vaporização de voláteis e conversão em carvão vegetal
(até aproximadamente 300°C). Na faixa de 300 a 500°C acontece a
Figura 1 – Bio-óleo. degradação térmica da celulose produzindo quantidades elevadas de CO, H2
e CH4. Acima de 500°C ocorrem reações entre os produtos gasosos já
formados com o resíduo
sólido, gerando produtos altamente combustíveis. Água e CO2 podem
formados
ainda reagir com o carvão residual produzindo CO e H2.
– PUIC
Reação 2
Biomassa → (Voláteis + Gases)1 + (Carvão)1
Biomassa + (Carvão)1 → (Voláteis + Gases)2 + (Carvão)2
Modelo matemático
Para a otimização da pirólise elabora-se um modelo matemático que equacione o processo e
seus fatores de influência: conversão de matéria prima em produtos, variações de temperatura e
taxas de aquecimento, adição de vapor e outros.
Com a programação, aplica-se um algoritmo capaz
de solucionar o sistema de equações diferenciais e
permitir o estudo do processo sob diferentes
condições, empregando-se métodos de diferenças
finitas. O método Runge-Kutta de quarta ordem é o
mais usado. Embora mais lento em tempo de execução
se comparado aos métodos de Euler e Heun, obtém-se
um resultado muito mais próximo da solução analítica.
Figura 2 – Soluções numéricas para uma
Figura 3 – Algoritmo de solução do sistema EDO para a pirólise de biomassa.
equação diferencial de primeira ordem.
Justificativa
Na década de 1970, o governo federal promoveu pesquisas para valorizar e estimular
aplicações do carvão mineral, motivado pela crise do petróleo. Recebeu destaque a gaseificação.
Com a ascensão do petróleo as pesquisas nesta área foram reduzidas, assim como os
investimentos. Os processos de gaseificação foram então sendo abandonados por métodos mais
econômicos e mais eficientes ou ainda com menor impacto ambiental.
Em Santa Catarina, o ápice do uso do carvão deu-se na década de 1980, declinando no início
da década de 1990 com a extinção da ICC (Indústria Carboquímica Catarinense) e das unidades
de gaseificação das indústrias cerâmicas. Enquanto que no Brasil esta tecnologia praticamente
extinguiu-se, em outros países seu desenvolvimento perpetuou-se, devido à necessidade de
fontes de energia para abastecer seu escasso suprimento.
Sendo Santa Catarina o estado com a segunda maior reserva de carvão mineral do país, esta
pesquisa visa estimular seu uso e agregar-lhe valor através da obtenção de produtos químicos e
combustíveis, além de estudar a possibilidade da associação de biomassa para a produção de gás
utilizando as propriedades catalíticas do carvão.
Objetivos
Objetivo Geral
Modelar matematicamente o processo de gaseificação de carvão mineral. Estudar a
possibilidade de associar a biomassa ao processo de gaseificação.
Objetivos Específicos
Pesquisar os modelos cinéticos descritos para as reações envolvidas na gaseificação. Adotar
um processo típico e elaborar o modelo matemático correspondente. Analisar o processo sob
diferentes condições de operação (alimentação de carvão e água, temperatura, pressão).
Pesquisar entre as descrições disponíveis na literatura a existência de dados cinéticos de
gaseificação de biomassa. Aplicar métodos numéricos para solução dos modelos obtidos.
Metodologia
Aplicação de balanços de massa e energia para obtenção de modelos. Levantamento bibliográfico
para obtenção das equações cinéticas. Solução dos modelos através dos métodos numéricos;
d) levantamento bibliográfico de gaseificação de biomassa. Incorporar as equações cinéticas de
gaseificação de biomassa com as de carvão.
Resultados
Ao modelar a gaseificação do carvão, pode-se seguir duas abordagens. Na abordagem estática
considera-se apenas a composição do carvão, conversões para as reações envolvidas e as
quantidades de energia consumidas ou formadas em cada uma delas. Assim obtém-se a
composição final do gás e do resíduo sólido.
Figura 4 – Gráficos gerados pelo algoritmo de solução.
Uma vez representada a reação de pirólise da biomassa, simulou-se várias condições de
temperatura para a observação do comportamento da reação e da proporção de produtos
formados. O modelo adotado mede o consumo de biomassa e a quantidade de gás gerado, visto
que para determinar a composição do gás é preciso estudar cada matéria prima empregada.
Abaixo seguem os gráficos para um aquecimento de 500 a 1000K ao longo de 10 minutos com
diferentes perfis de aquecimento, onde B representa a fração mássica de biomassa não
consumida, C1 é a fração mássica de carvão resultante da decomposição da biomassa, C2 é a
fração mássica de carvão originado das reações entre os gases e voláteis da biomassa e o carvão
em C1; W é a fração de massa residual do processo.
Conclusões
A modelagem matemática de sistemas de gaseificação e pirólise pode promover a otimização
destes processos. Algoritmos que desempenham tal função compõem uma ferramenta vantajosa
por permitir a realização de inúmeros ensaios obtendo resultados sem a necessidade de um
procedimento experimental. O modelo matemático apresentado pode ser utilizado como base para
o desenvolvimento de simulações de sistemas de pirólise e gaseificação, visto que é necessário
criar um modelo particular a cada caso, onde avalia-se desde a composição da matéria prima
empregada até às condições de operação do reator.
O Estado de Santa Catarina, com sua grande disponibilidade de carvão mineral, pode destacarse no âmbito energético com o uso destas tecnologias, enriquecendo uma matéria prima de baixo
valor em favor de um processo com rendimento superior.
Referências
KLOSE, Erhard et. al. Mathematical model for the
gasification of coal under pressure. Industrial and
Engineering Chemistry Process Design and
Development, Freiberg, v. 17, n. 1, 1978.
KOUFOPANOS, C. A. et. al. Modelling of the pyrolysis of
biomass particles. The Canadian Journal of Chemical
Engineering, [S.l.], v. 69, ago. 1991.
PELLEGRINO, Roberto. Gaseificação de carvão
mineral com adição de vapor e remoção de H2S, em
leito fluidizado. Campinas, SP: [s.n.], 2006.
SANTA CATARINA (Estado). Fundação de Ciência e
Tecnologia. Análise preliminar de alternativas para a
valorização do carvão mineral no estado de Santa
Catarina. Florianópolis: FUNCITEC, 2003.
YANG, Wõn-yõng; et al. Applied numerical methods
using MATLAB. Hoboken: Wiley-Interscience, 2005.