Analise da Efici´ encia Termodinˆ amica daˆ Gaseificaçao de Carv˜ ao ... Rodolfo... · Introdução Materiais & Metodos´ Resultados & Discussões Analise da Efici´ encia

IntroducaoMateriais & Metodos

Resultados & Discussoes

Analise da Eficiencia Termodinamica daGaseificacao de Carvao Mineral e

Biomassa

Rodolfo Rodrigues1, Nilson R. Marcilio1,Jorge O. Trierweiler1, Marcelo Godinho2

1DEQUI/UFRGS, 2DENQ/UCS

III Congresso Brasileiro de Carvao MineralGramado, RS

22 de agosto de 2011

Rodolfo Rodrigues Gaseificacao de Carvao & Biomassa 1 / 26



Sumario

1 IntroducaoCarvao & BiomassaConversao TermoquımicaObjetivos

2 Materiais & MetodosCombustıveis AvaliadosModelagem PropostaImplementacao & Simulacao

3 Resultados & DiscussoesAnalise de SensibilidadeResultados PreliminaresConclusoes




Carvao & BiomassaConversao TermoquımicaObjetivos

Carvao & Biomassa

O carvao mineral e uma das maiores fontes de energia edesempenha um importante papel na demanda energeticamundial.Contudo como um recurso fossil deve-se considerar assuas emissoes atmosfericas.Nesse sentido, e possıvel balancear os efeitos dasemissoes de carbono de recursos fosseis utilizandorecursos renovaveis, biomassa.





Conversao Termoquımica: Gaseificacao

A conversao termoquımica modifica a estrutura quımicade um combustıvel carbonoso atraves da altatemperatura.O agente de gaseificacao permite a corrente dealimentacao ser rapidamente convertida a gas por reacoesquımicas.Recentemente a gaseificacao tem se mostrado bastantepromissora ao permitir a conversao desses combustıveisem produtos para aplicacoes em sıntese e cogeracao.





Conversao Termoquımica: Cogaseificacao

Uma aplicacao em gaseificacao que esta se tornandomais comum so recentemente e o coprocessamento(cogaseificacao).Cogaseificacao analisa o processamento de uma misturade combustıveis de maneira a compensar caracterısticasdesfavoraveis de alguns com uma fracao de outros.Autores apontam a existencia de sinergias entre carvaoe biomassa nessas condicoes, o que motiva muitosestudos.





Objetivos

Analise da gaseificacao de carvao mineral e biomassasdisponıveis no Brasil atraves do potencial energetico dogas combustıvel gerado para aplicacao em cogeracao.Desenvolvimento de uma ferramenta computacionalpara estudos posteriores em (co)gaseificacao de carvao ebiomassa.




Combustıveis AvaliadosModelagem PropostaImplementacao & Simulacao

Combustıveis Avaliados

Sao escolhidas 6 biomassas a partir de dados derelatorio da ANEEL [1] e mais o carvao mineral [7].Essas biomassas, por conveniencia, sao agrupadas em 3grupos de acordo com suas origens:

1 Resıduos agrıcolas: casca de arroz [2] e casca decoco-da-baıa [3].

2 Resıduos florestais: resıduo madeireiro [4].3 Resıduos industriais: apara de couro [5], bagaco de

cana-de-acucar e palha de cana-de-acucar [6].





Analise Imediata (%p, b.s.) Planilha1

Página 2

Casca de arrozCasca de coco-da-baía

Madeira em geralBagaço de cana

Palha de canaApara de couro

Carvão mineral

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

CinzasCarbono fixoMatéria volátil





Analise Imediata (%p, b.s.)

Umidade (%p, b.u.)Planilha1

Página 4

Casca de arroz

Casca de coco-da-baía

Madeira em geral

Bagaço de cana

Palha de cana

Apara de couro

Carvão mineral

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

% (b.u.)

PCS (kJ/kg, b.s.)Planilha1

Página 5

Casca de arroz

Casca de coco-da-baía

Madeira em geral

Bagaço de cana

Palha de cana

Apara de couro

Carvão mineral

0 5000 10000 15000 20000 25000

kJ/kg (b.s.)





Analise Elementar (%p, d.a.f.)

Planilha1

Página 3

Casca de arrozCasca de coco-da-baía

Madeira em geralBagaço de cana

Palha de canaApara de couro

Carvão mineral

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

ClSONHC





Modelo de Equilıbrio

Utiliza-se um modelo de equilıbrio termodinamico paraanalisar a gaseificacao de biomassa.Esse modelo aplica a minimizacao da energia livre deGibbs sujeita a balancos de massa e restricoesnao-negativas.A principal hipotese para esta aproximacao considera queo equilıbrio e atingido na pratica.





Modelo de Equilıbrio

Tabela 1: Lista de especies quımicas consideradas pelo modelo.

Fase Grupo Especies quımicasGasosa Compostos inorganicos C(g), CO, CO2

de carbonoHidrocarbonetos CH, CH2, CH3, CH4, C2H, C2H2,

C2H3, C2H4, C2H5, C2H6, C3H7,C3H8, C6H6, C10H8, C12H10

Outros compostos CH2O, CH2OH, CH3O, CH3OH, HCCO,organicos CH2CO, HCCOH, CH2CHO, CH3CHOCompostos de oxigenio O, O2Compostos de hidrogenio H, H2, OH, H2O, HO2, H2O2, HCOCompostos de nitrogenio N, N2, NH, NH2, NH3, NNH, NO,

NO2, N2O, HNO, CN, HCN, H2CN,HCNN, HCNO, HOCN, HNCO, NCO

Compostos de enxofre S, SO2, SO3, H2S, COS, CS2Compostos de cloro Cl, Cl2, HCl, ClONO2, ClO, ClO2,

ClO3, Cl2O, Cl2O2, Cl2O7Solida Carbono C(s)





Implementacao & Simulacao

As simulacoes sao realizadas por scripts em PythonTM

usando bibliotecas do software Cantera [9].

Cantera e uma biblioteca de funcoes orientadas a objetos paraproblemas envolvendo cinetica quımica, termodinamica eprocessos de transporte.

Um algoritmo VCS [10] (metodo multifasico)implementedo no Cantera e usado para minimizar aenergia de Gibbs total.




Analise de SensibilidadeResultados PreliminaresConclusoes

Analise de Sensibilidade

Parametros de operacao:Ar fornecido (25◦C e 1 atm):

φ =nO2

nO2,stoic(1)

Vapor d’agua fornecido (200◦C e 1 atm):

stm =nH2O(vap)

nC(2)

Parametro avaliado:Eficiencia de gas frio:

ηgf =Fgas ·PCSgas

Ffuel ·PCSfuel(3)





Resultados Preliminares: Carvao Mineral

0 0,5 1,0 1,5 2,0Razão vapor-carbono, stm

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Razã

o de

equ

ival

ênci

a,

0%20%

20%

40%

40%

60%

60%

70%

70%75%

80%85%

90%

95%

(a)


0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Razã

o de

equ

ival

ênci

a,

25°C

100°C

300°C

400°C

500°C

600°C 700°C

800°C

900°C

1000°C1100°C

(b)

Figura 1: Eficiencia (a) e temperatura (b) para a gaseificacao decarvao mineral usando ar e vapor d’agua.





Resultados Preliminares: Resıduos Agrıcolas


0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Razã

o de

equ

ival

ênci

a,

20%

40%

60%

60%

70%

70%

75%

75%

80%

85%

90%

(a)


0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Razã

o de

equ

ival

ênci

a,

500°C

600°C

800°C

1000°C

1200°C

1400°C1600°C

(b)

Figura 2: Eficiencia (a) e temperatura (b) para a gaseificacao decasca de arroz usando ar e vapor d’agua.





Resultados Preliminares: Resıduo Florestal


0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Razã

o de

equ

ival

ênci

a,

10%

30%

50%

60%

70%75%

80%80%

(a)


0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Razã

o de

equ

ival

ênci

a,

600°C

800°C

1000°C

1200°C

1400°C1500°C

1600°C1700°C1800°C

(b)

Figura 3: Eficiencia (a) e temperatura (b) para a gaseificacao deresıduo madeireiro usando ar e vapor d’agua.





Resultados Preliminares: Resıduos Industriais


0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Razã

o de

equ

ival

ênci

a,

10%

10%

30%

30%

50%

50%

60%

60%

65%

65%

70%

70%

75%

80%

85%

90%

(a)


0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Razã

o de

equ

ival

ênci

a,

300°C

400°C

500°C

600°C

800°C

1000°C

1200°C1400°C

(b)

Figura 4: Eficiencia (a) e temperatura (b) para a gaseificacao deapara de couro usando ar e vapor d’agua.





Resultados Preliminares: Resıduos Industriais


0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Razã

o de

equ

ival

ênci

a,

20%

40%

60%60%65%

70%

75%

80%80%

85%

(a)


0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Razã

o de

equ

ival

ênci

a,

450°C 500°C

550°C 600°C

800°C

1000°C

1200°C

1400°C1600°C

(b)

Figura 5: Eficiencia (a) e temperatura (b) para a gaseificacao depalha de cana-de-acucar usando ar e vapor d’agua.





Conclusoes

Este trabalho apresenta uma analise geral dagaseificacao de diferentes combustıveis usando ummodelo termodinamico de equilıbrio.As predicoes avaliam o desempenho do processoatraves da estimativa da eficiencia frente a variacoes nascondicoes de operacao.As avaliacoes mostraram as maximas eficienciasatingıveis para cada combustıvel.





Conclusoes

Utilizando somente ar, esses valores sao:1 70% para carvao mineral.2 80% para casca de arroz.3 80% para madeira.4 80% para palha de cana.5 70% para apara de couro.

Ao se usar ar e vapor d’agua, pode-se chegar a:1 95% para carvao mineral.2 90% para casca de arroz.3 85% para palha de cana.4 90% para apara de couro.





Conclusoes

Casca de coco e bagaco de cana mostram anecessidade de uma pre-secagem devido ao alto teor deumidade.A adicao de vapor d’agua para resıduo madeireiromostra-se indiferente nos resultados finais.Ao nao se considerar os efeitos termicos das cinzas aanalise do carvao mineral pode ter ficado comprometida.





Agradecimentos





Referencias I

[1] ANEEL. Atlas de energia eletrica do Brasil. Agencia Nacional de Energia Eletrica(ANEEL), Brasılia, Relatorio Tecnico, 2008.

[2] HOFFMANN, R. Metodo avaliativo da geracao regionalizada de energia, empotencias inferiores a 1 MWe, a partir da gestao dos resıduos de biomassa—Ocaso da casca de arroz. Tese (Doutorado). UFRGS, Porto Alegre, 1999.

[3] ANDRADE, A. M.; PASSOS, P. R. A.; MARQUES, L. G. C.; OLIVEIRA, L. B.;VIDAURRE, G. B.; ROCHA, J. D. S. Pyrolysis of coconut residues (Cocos nuciferaL.) and analysis of charcoal. Revista Arvore, v. 28, n. 5, p. 707–714, 2004.

[4] WANDER, P. R. Utilizacao de resıduos de madeira e lenha como alternativas deenergias renovaveis para o desenvolvimento sustentavel da regiao Nordeste doestado do Rio Grande do Sul. Tese (Doutorado). UFRGS, Porto Alegre, 2001.

[5] GODINHO, M. Gaseificacao e combustao combinadas de resıduos solidos daindustria coureiro-calcadista. Tese (Doutorado). UFRGS, Porto Alegre, 2006.

[6] SEABRA, J. E. A. Avaliacao tecnico-economica de opcoes para o aproveitamentointegral da biomassa de cana no Brasil. Tese (Doutorado). UNICAMP, Campinas,2008.





Referencias II

[7] KALKREUTH, W.; HOLZ, M.; KERN, M.; MACHADO, G.; MEXIAS, A.; SILVA, M.;WILLETT, J.; FINKELMAN, R.; BURGER, H. Petrology and chemistry of Permiancoals from the Parana basin: 1. Santa Terezinha, Leao-Butia and Candiotacoalfields, Rio Grande do Sul, Brazil. Int. J. Coal. Geol., v. 68, n. 1–2, p. 79–116,2006.

[8] BURCAT, A.; B. RUSCIC, B. Third millennium ideal gas and condensed phasethermochemical database for combustion with updates from activethermochemical tables. Argonne National Laboratory, Illinois, Report TAE 960Table 4, 2005.

[9] GOODWIN, D. G. Cantera: An object-oriented software toolkit for chemicalkinetics, thermodynamics, and transport processes. Caltech, Pasadena, 2009.

[10] SMITH, W. R.; MISSEN, R. W. Chemical reaction equilibrium analysis: Theoryand algorithm. John Wiley & Sons, 1982.





Contato

Rodolfo Rodrigues, MSc EngDoutorando em Engenharia QuımicaDepartamento de Engenharia Quımica (DEQUI)Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)Email: [email protected]


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