Gasificação de biomassa em leito fixo tipo co-corrente, aspectos teóricos e experimentais

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GASIFICAÇÃO DE BIOMASSA EM LEITO FIXO TIPO CONCORRENTE, ASPECTOS TEORICOS E EXPERIMENTAIS ARTICLE

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4 AUTHORS, INCLUDING: Juan Daniel Martínez

Electo Lora

Universidad Pontificia Bolivariana

Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI)

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Available from: Juan Daniel Martínez Retrieved on: 05 November 2015

GASIFICAÇÃO DE BIOMASSA EM LEITO FIXO TIPO CONCORRENTE, ASPECTOS TEORICOS E EXPERIMENTAIS JUAN DANIEL MARTINEZ RUBENILDO VIERA ANDRADE ELECTO EDUARDO SILVA LORA Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída Instituto de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Itajubá Resumo Atualmente são bem conhecidas as vantagens da biomassa na redução da dependência dos combustíveis fósseis e das emissões de gases efeito estufa, como o CO2. Igualmente são reconhecidas as diferentes vias de conversão da biomassa para sua utilização ou aproveitamento, como os tratamentos termoquímicos (gaseificação, a pirólise e a combustão); os tratamentos biológicos (fermentação e transesterificação) e os tratamentos físicos (densificação, redução granulométrica e prensagem mecânico). Neste sentido, a gaseificação é considerada como o mecanismo mais promissor na obtenção de um combustível gasoso homogêneo de qualidade suficiente na geração distribuída em pequena escala. O presente trabalho apresenta alguns aspectos relacionados com a gaseificação de biomassa em reator de leito fixo, assim como alguns resultados preliminares de avaliação e operação do gaseificador de leito fixo tipo concorrente de duplo estagio de fornecimento de ar do NEST, onde identifico se a quantidade de fornecimento de ar adequada (fator de ar na faixa de 0,35 a 0,45) para a obtenção dum gás combustível com poder calorífico inferior em torno a 4MJ/Nm3. Palavras-chave: biomassa, gaseificação, leito fixo, duplo estágio

Abstract Actually are recognizing the advantages of biomass in reducing dependence on fossil fuels and significant reduction in emissions of greenhouse effect gases such as CO2. Also are known the different conversion of biomass routes for their use or exploitation, such as termochemical process (gasification, pyrolysis and combustion), the biological process (fermentation and transesterification) and the physical process (densification, reducing grain and mechanical pressing). In this sense, the gasification is regarded as the most promising mechanism to obtain a homogeneous gaseous fuel with sufficient quality in the small scale distributed generation. This work presents some aspects of biomass gasification in fixed bed, as well as some preliminary results in the evaluation and operation of fixed bed downdraft gasifier with double stage air supply of the NEST, identifying the adequate air supply quantity (equivalence ratio in the range of 0,35 to 0,45) for obtaining a fuel gas with lower heating value around 4 MJ/Nm3. Keywords: biomass, gasification, fixed bed, double stage

1. Introdução A gaseificação é definida como a conversão de qualquer combustível sólido ou liquido em um gás energético, através de sua oxidação parcial mediante o uso de ar, oxigênio, vapor de água ou uma mistura dos mesmos. Também e segundo Warnecke (2000), a gaseificação pode ser definida como um tratamento termoquímico limitado pela combustão e a pirólise. Neste sentido, este processo pode ser entendido como o tratamento termoquímico que a diferença da combustão, não permite a oxidação completa do carbono e do hidrogênio presentes no combustível em CO2 e H2O respectivamente, dando origem a componentes energéticos como CO, H2 e CH4. São vários os tipos de reatores que podem ser utilizados para o desenvolvimento da gaseificação, existindo diferentes fatores para sua classificação: de acordo ao poder calorífico produzido, o tipo de agente oxidante, pressão de trabalho e movimento relativo do combustível e o agente de gaseificação entre outros. Os reatores de leito fluidizado (borbulhante ou circulante) e de leito fixo

(concorrente, contracorrente ou de fluxo cruzado) são os mais conhecidos e desenvolvidos até o momento. Cada um apresenta vantagens e desvantagens com relação a sua aplicação final, capacidade de processamento e operação entre outros. Segundo García-Bacaicoa et al., (1994), a seleção do tipo de gaseificador depende das características do combustível a ser gaseificado e do uso final do gás energético produzido. A fim de impulsionar e motivar a utilização da biomassa agrícola como energético primário na geração de eletricidade em pequena escala, e mitigar assim os impactos associados com a utilização de combustíveis fósseis; o presente trabalho pretende contribuir e fortalecer o conhecimento da gaseificação de biomassa em reator de leito fixo tipo concorrente, assim como apresentar alguns resultados preliminares de avaliação e operação do gaseificador de leito fixo tipo concorrente de duplo estagio de fornecimento de ar do Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída (NEST), da Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). O equipamento faz parte de um projeto P&D financiado pela Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL) no que se prevê a geração de eletricidade a partir do fornecimento do gás combustível produzido na gaseificação num motor de combustão interna.

2. Generalidades da biomassa Entre as energias renováveis, uma das mais importantes fontes no futuro em curto prazo é a biomassa. Esta é definida como toda substância orgânica renovável de origem animal u vegetal, que deve seu caráter energético á conversão da energia solar. Graças a fotossíntese a matéria vegetal absorve e armazena uma parte da energia solar que chega á terra; as células vegetais utilizam a radiação solar para formar substâncias orgânicas (carboidratos) a partir de substâncias simples e do CO2 presente no ar. Segundo Horta & Silva (2003), aproveitando aproximadamente 1% do total da radiação solar incidente sobre a terra, estima-se que anualmente sejam produzidas, pelo processo de fotossíntese, cerca de 220 x 109 toneladas de biomassa (base seca), o equivalente a uma energia de 2 x 1015 MJ, ou seja, mais de 10 vezes a energia global consumida por ano no nosso planeta. De forma geral, é possível afirmar que a biomassa é composta de celulose, hemicelulose e lignina. Assim mesmo, sua natureza orgânica lhe confere quantidades significativas de carbono, hidrogênio (responsáveis pelo seu conteúdo energético) e oxigênio, além de pequenas quantidades de nitrogênio e cinzas (onde permanece a matéria inorgânica). Para o caso da biomassa de origem vegetal (gerada diretamente através da fotossíntese), as emissões correspondentes aos diferentes tratamentos termoquímicos utilizados para sua conversão energética, consideram mínimas concentrações de óxidos de enxofre (responsáveis da chuva ácida), em comparação aos combustíveis fósseis. A grande vantagem da biomassa como fonte renovável de energia, esta relacionada com a mitigação das emissões do CO2. Neste sentido, e dado que todo o CO2 emitido na utilização energética da biomassa tenha sido previamente fixado no crescimento da matéria vegetal que a havia gerado, não existe contribuição liquida deste composto para a atmosfera, pelo que não contribui ao aumento do efeito estufa. Como principais desvantagens estão sua baixa densidade e seu considerável conteúdo de umidade que influem nos custos associados ao seu transporte para o seu aproveitamento energético.

3. Generalidades da gaseificação A gaseificação é o processo de oxidação onde a quantidade do agente oxidante é menor que o teor estequiométrico, dando origem a gases combustíveis como CO, H2 e CH4. Também são produzidos produtos típicos de combustão como o CO2, N2, O2 e H2O, assim como teores menores de hidrocarbonetos, como o eteno (C2H4), o etano (C2H6) entre outros. Entre as aplicações, previa limpeza dos gases, é possível a geração de energia elétrica por meio de turbinas a gás (TG), motores de combustão interna (MCI), células de combustível; assim como a geração de energia térmica mediante combustão direta em caldeiras ou fornos, ou também, na produção de hidrogênio e outros produtos químicos ao ser usado como gás de síntese. Neste

sentido, cada tipo de reator tem suas próprias vantagens e desvantagens nas qualidades e características do gás produzido.

3.1 A gaseificação em reatores de leito fixo A gaseificação em leito fixo ou também chamados em leito móvel (devido ao fato de que em operação continua na medida em que o combustível é alimentado e as cinzas retiradas, o leito move-se do topo para o fundo do reator), pode ser classificada de acordo ao movimento relativo do fluxo gasoso obtido através do reator; é dizer, em corrente ascendente (updraft) ou em corrente descendente (downdraft). Também, pode ser relacionada segundo as direções do fluxo do combustível a ser transformado (neste caso biomassa), e o fluxo gasoso gerado, pelo que o processo pode ser classificado como gaseificação em contracorrente, em concorrente e em correntes cruzadas (cross-current). Não obstante, é comumente aceito que a gaseificação em correntes ascendentes e descendentes sejam chamadas como contracorrente e concorrente respectivamente. Nos gaseificadores de leito cruzado o combustível é fornecido pela parte superior do reator, enquanto o ar é alimentado por uma das paredes laterais. O gás gerado sai pela parede oposta na mesma direção em que foi fornecido. As zonas de combustão e gaseificação (ou redução) estão próximas á entrada do ar e a saída do gás energético obtido (Figura 1). As cinzas são removidas pela parte inferior do reator. O equipamento possui relativa simplicidade de construção com peso reduzido. O gás gerado apresenta um considerável conteúdo de alcatrão pelo que a aplicação mais imediata esta na produção de energia térmica. 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. Neste sentido, o combustível a ser gaseificado experimenta seguidamente os processos de secagem, pirólise, redução e combustão, na medida em que os gases gerados procuram a saída do reator localizada na parte superior do mesmo. Esta configuração permite que os gases gerados tenham um alto teor de alcatrão pelo que a eficiência térmica do processo é considerável. Segundo Belgiorno et al (2003), a temperatura na zona de combustão pode ser superior aos 1200ºC. Geralmente as aplicações deste tipo de reatores concentram-se na produção de energia térmica por médio da oxidação dos gases gerados na gaseificação. A Figura 2 apresenta um esquema geral do processo.

Figura 1. Esquema gaseificador em reator de leito cruzado. Na gaseificação em leito fixo tipo concorrente, o combustível é fornecido pela parte superior em tanto que o ar movimenta se em sentido descendente, podendo ser alimentado lateralmente ou pela parte superior do reator. A principal vantagem deste tipo de reatores é a pouca quantidade de alcatrão no gás energético produzido, devido ao craqueamento do mesmo ao passar pelas regiões de alta temperatura do processo (zona de combustão). Na Figura 3, é apresentado um esquema geral do reator, assim como as diferentes zonas do processo de gaseificação. De modo geral, é possível afirmar que os reatores de leito fixo (tipo contracorrente o concorrente) apresentam uma considerável eficiência trabalhando com combustíveis de alta densidade e

granulometria grosseira. Embora, os reatores concorrentes sejam considerados por muitos como a forma mais satisfatória de obter energia mecânica a partir de MCI (Jain & Goss, 2000; Tinaut et al. 2006). Não obstante, e ressaltando o fato de que este tipo de gaseificadores gera gás energético com baixos conteúdos de alcatrão que favorece sua utilização num MCI, sua implementação está limitada a capacidades pequenas (García-Bacaicoa et al. 1994). Neste sentido, a capacidade máxima permissível reportadas na literatura são bastante heterogêneas, com valores desde 1 MWt (Klein, 2002) e 1,5 MWt (Maniatis, 2001) até 5 MWt (Knoef, 2002). Para reatores com garganta, Beenackers (1998), apresenta uma capacidade máxima de 1 MWe.

Figura 2. Esquema gaseificador em reator de leito fixo contracorrente.

Figura 3. Esquema gaseificador em reator de leito fixo concorrente.

3.2 Gaseificação em reator de leito fixo tipo concorrente Para o caso especifico dos gaseificadores tipo concorrente, as características físicas do reator tem efeitos adicionais na qualidade do gás combustível. Neste sentido, o reator pode ter uma redução do diâmetro interno (garganta) na região da zona de combustão, que favorece o craqueamento do alcatrão graças á concentração e mistura dos gases do processo. Nesta zona se posicionam os injetores de ar, arranjados a fim de distribuir o oxidante da forma mais uniforme possível e poder assim garantir que seja atingida uma temperatura adequada em toda a secção para o posterior craqueamento dos alcatroes que passam por ela. Usualmente o gaseificador de leito fixo concorrente com garganta, é conhecido pelo termo imbert, em homenagem a seu criador Georges Imbert no ano 1920. Por outro lado, é possível encontrar o gaseificador concorrente sem redução do diâmetro interno, onde o conteúdo de alcatrão gerado é maior em comparação com o reator com garganta. Embora, a probabilidade na formação de canais preferenciais, pontes internas e/ou vácuos, quando se utilizam combustíveis de baixa densidade 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 términos em inglês, stratified ou open top gasifier. Outras vantagens da gaseificação em leito fixo tipo concorrente são a alta eficiência na conversão do carvão (char), as pequenas quantidades de cinzas e alcatroes no gás produzido, a rápida resposta a câmbios rápidos na carga e a facilidade construtiva (Midilli et al. 2001; Dogru et al. 2002). Também, como principais desvantagens estão a limitação no escalado (segundo com Reed et al, 1998; pelas dificuldades na distribuição homogênea do agente gaseificante em reatores com volumeis maiores), assim como as possíveis dificuldades com a fusão de cinzas além de algumas restrições na umidade do combustível (