Gaseificação e pirólise para a conversão da biomassa em eletricidade e biocombustíveis

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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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: ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA

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• 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