Dissertacao_CaracterizacaoGaseificadorTipo.pdf

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR

INSTITUTO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

Charles Denys da Luz Alves

Caracterizao de um gaseificador do tipo downdraft

Belm 2010



Dissertao apresentada para obteno do Grau de Mestre em Engenharia Mecnica, Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Par. rea de concentrao: Trmicas e Fluidos. Orientador: Prof. Manoel Fernandes Martins Nogueira, Ph. D.

Belm 2010

Dados Internacionais de catalogao-na-publicao (CIP), Biblioteca do Mestrado em Engenharia Mecnica/ UFPA, Belm, PA

A474c Alves, Charles Denys da Luz Caracterizao de um gaseificador do tipo downdraft/ Charles Denys da luz Alves; orientador Manoel Fernandes Martins Nogueira. Belm, 2010.

Dissertao (mestrado) Universidade Federal do Par. Instituto de tecnologia. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica, 2010.

1.converso de carbono. 2. Gaseificador .I. Ttulo.

CDD 19 ed. 660.2



Dissertao apresentada para obteno do Grau de Mestre em Engenharia Mecnica, Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Par. rea de concentrao: Trmicas e Fluidos. Orientador: Prof. Manoel Fernandes Martins Nogueira, Ph. D.

Data de aprovao:

Banca examinadora:

Prof. Manoel Fernandes Martins Nogueira, Ph. D. PPGEM/FEM/ITEC/UFPA Orientador

Prof. Caio Glauco Sanchez, Ph. D. PPGEM/Unicamp Membro externo

Prof. Dr. Danielle Regina da Silva Guerra PPGEM/FEM/ITEC/UFPA Membro interno

AGRADECIMENTOS

Ao Professor Manoel Nogueira e a todos os amigos do Departamento de

Engenharia Mecnica da Universidade Federal do Par, pela minha agradvel e

proveitosa permanncia durante a execuo deste trabalho.

Aos colegas e professores da UFPA e UFSC em especial ao professor

Humberto Jos Jorge, pela cordialidade, pelos repositrios de dados fornecidos e

por estarem sempre dispostos a responder as minhas dvidas.

Ao CNPq pelo financiamento de bolsas atravs do projeto Gs Limpo -

Adaptao e eficientizao de gaseifcadores de topo aberto operantes na

Amaznia- (processo: 520069/2006-4) e atravs do programa de ps-graduao de

engenharia mecnica (PPGEM)-(processo: 134781/2007-4) e a todos que direta ou

indiretamente colaboraram na execuo deste trabalho.

Esperar reconhecer-se incompleto.

(Guimares Rosa).

RESUMO

A gaseificao uma converso termoqumica da biomassa em gs

combustvel, que pode ser usado como combustvel em motores de combusto

interna ou como gs de sntese para a indstria qumica. Para checar o

desempenho de um gaseificador temos de quantificar a energia contida no gs

produzido e a quantidade de carbono convertido por meio dos clculos de eficincia

energtica e de converso de carbono atravs dos dados obtidos

experimentalmente. A eficincia energtica uma relao entre os fluxos de gs e

biomassa e de suas respectivas quantidades de energia, no mesmo sentido, a

converso de carbono a quantidade de compostos carbonceos presentes no gs

convertido a partir da quantidade de carbono presente na composio da biomassa.

O presente documento avalia a eficincia energtica e de carbono na converso de

um prottipo de um gaseificador indiano do tipo downdraft produzido por uma

empresa local (Florags). Os parmetros nominais do gaseificador so: capacidade

de produo de gs de 45 kWt, consumo de biomassa (caroo de aa) de 15 kg/h.

As dimenses do gaseificador so: DI 150 mm e altura de 2000 mm). A eficincia

energtica e a taxa de converso de carbono foram quantificados, a queda de

presso devido ao leito do reator e a temperatura dos gases tambm foram medidos

na sada do reator e tambm, a concentrao de alcatro, partculas e gases no

condensveis (CO, CO2, CH4, SO2, N2 e NOx) nos gases de combusto aps a

sistema de limpeza.

Palavras-chave: Gaseificador downdraft, eficincia energtica, eficincia de converso de carbono.

ABSTRACT

The gasification is a thermo-chemical conversion of biomass in fuel gas which

can be used as a fuel in internal combustion engines or as a syngas for chemical

industry. To quantify the performance of a gasifier we must quantify the energy

contained in the gas produced and relate to the amount of energy contained in the

biomass that feeds the gasifier, Energy Efficiency, and even with regard to levels of

carbon converted from biomass into the gas produced, Carbon Conversion. This

paper assesses the energy efficiency and carbon conversion in a prototype of an

Indian downdraft gasifier type produced by a local company (Florags). The gasifier

nominal parameters are: gas production capacity of 45 kWt, aa seeds consumption

of 15 kg/h. The gasifier reactor dimensions are ID 150 mm and height in 2000 mm).

Its energy efficiency and rate of carbon conversion were quantified, the drop in

pressure due to the reactor bed and the gas temperature were also measured at the

reactor exit and quantified the concentration of tar, particulate and not condensable

gases (CO, CO2, CH4, SO2, N2 and NOx) in the flue gas after cleaning system.

Keywords: Downdraft gasifier, energy efficiency and carbon conversion.

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 2.1: Veculo adaptado gasognio (Martinez, 2009). ........................................ 17 Figura 2.2: Gaseificador de extrao por cima (Silva Lora, 2007). ............................... 21 Figura 2.3: Gaseificador de extrao por baixo (Silva Lora, 2007). ............................. 21 Figura 2.4: Gaseificador fluxo cruzado (Silva Lora, 2007). ............................................ 22 Figura 2.5: Gaseificador de leito fluidizado (Silva Lora, 2007). ..................................... 22 Figura 3.1: Gaseificador downdraft em operao no LABEM/UFPA ............................ 27 Figura 3.2: Ilustrao do caminho percorrido pela corrente gasosa. ........................... 27 Figura 3.3: Detalhes do gaseificador Mukunda ............................................................. 28 Figura 3.4: a) Gaseificador em corte; b) Detalhe do coletor de particulados .............. 29 Figura 3.5: a) Filtro de caroos de aa; b) Filtro automotivo. ....................................... 30 Figura 3.6: Molinete .............................................................................................................. 31 Figura 3.7: Coletor isocintico ............................................................................................. 32 Figura 3.8: Medidores de concentrao: a) Tempest-100; b) Greenline. ................ 33 Figura 3.9: Queima no gaseificador: a) Zona de reao; b) Recarga do reator. ........ 35 Figura 3.10: Resduos: a) Carvo residual; b) Soluo de lavagem de gases. .......... 36 Figura 4.1: Ponto de coleta de resduos. .......................................................................... 47 Figura 5.1: Pontos referentes coleta de dados. ............................................................ 55 Figura 5.2: Depresso esttica na sada do gaseificador. ............................................. 56 Figura 5.3: Presso gasosa x consumo de biomassa .................................................... 57 Figura 5.4: Temperatura medida no gaseificador ............................................................ 58 Figura 5.5: Relao reagentes/produtos medida no gaseificador ................................. 59 Figura 5.6: Perfil da velocidade superficial ....................................................................... 60 Figura 5.7: Concentrao dos gases medida no gaseificador ....................................... 61 Figura 5.8: Razo de equivalncia x tempo ..................................................................... 62 Figura 5.9: Concentrao x razo de equivalncia. ........................................................ 62 Figura 5.10: Eficincia medida no gaseificador ............................................................... 63 Figura 5.11: PCI e potncia trmica do gs produzido ................................................... 64

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1: Gases produzidos por gaseificadores para biomassa (Bridgwater, 1991)*. ..................................................................................................................................... 23 Tabela 3.1: Caractersticas dos equipamentos de medio de gases ......................... 33 Tabela 4.1: Medidas de presso e velocidade do ar. ..................................................... 40 Tabela 5.1: Propriedades fsico-qumicas e energticas da biomassa. ....................... 49 Tabela 5.2: Dados obtidos durante o experimento em funo do tempo. ................... 51 Tabela 5.3: Vazes e velocidades superficiais medidas e calculadas. ........................ 51 Tabela 5.4: Parmetros do experimento ........................................................................... 52 Tabela 5.5: Dados obtidos do CIPA ................................................................................... 53 Tabela 5.6: Concentrao dos gases ................................................................................ 54 Tabela 5.7: Dados obtidos do alcatro e particulado ...................................................... 65

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Ast rea total da seo transversal n Velocidade

r Massa especfica T Tempo de operao

arm

Vazo mssica de ar

gsm

Vazo mssica de gs

biom

Vazo mssica de biomassa

gsMW Peso molecular.

[CO] Frao volumtrica da espcie estudada

su Velocidade superficial

trmicah Eficincia trmica

PCI Poder calorfico inferior

PCS Poder calorfico superior

Y Taxa de processamento da biomassa

trmicaPot Potncia trmica

carbonoh Eficincia de converso de carbono

Razo de equivalncia

comb

ox real

mm

Relao combustvel/oxidante em condies reais

comb

ox st

mm

Relao combustvel/oxidante na condio estequiomtrica

SUMRIO

1. INTRODUO .................................................................................................................. 15

1.1. MOTIVAO E OBJETIVOS ...................................................................................... 15

1.2. CONTEDO ................................................................................................................... 16

2. REVISO DOS TRABALHOS PRVIOS .................................................................... 17

2.1. TEORIA DA GASEIFICAO ..................................................................................... 17

2.1.1. Cenrio histrico e atual dos gaseificadores .................................................. 17

2.1.2. Conceito ..................................................................................................................... 19

2.1.3. Classificao dos gaseificadores ....................................................................... 20

2.1.4. Zonas de processo .................................................................................................. 24

3. DESCRIO DOS EQUIPAMENTOS E MTODOS ................................................. 27

3.1. DESCRIO DO GASEIFICADOR ........................................................................... 27

3.1.1. Funcionamento do sistema ................................................................................... 27

3.1.2. Reator .......................................................................................................................... 28

3.1.3. Bomba/exaustor ....................................................................................................... 29

3.1.4. Lavador/ciclone ........................................................................................................ 29

3.1.5. Tubos, mangueiras e vlvulas ............................................................................. 29

3.1.6. Filtros .......................................................................................................................... 30

3.1.7. Flare ............................................................................................................................. 30

3.2. APARELHAGEM DE MEDIO ................................................................................. 30

3.2.1. Medio de velocidade ........................................................................................... 31

3.2.2. Medio de temperatura e presso ..................................................................... 31

3.2.3. Coleta de alcatro e particulados ........................................................................ 32

3.2.4. Medidores de concentrao gasosa ................................................................... 32

3.3. OPERAO DO GASEIFICADOR ............................................................................. 34

3.3.1. Tratamento da biomassa ....................................................................................... 34

3.3.2. Leito de carvo e recarga do reator .................................................................... 34

3.3.3. Resduos .................................................................................................................... 35

3.3.4. Coleta e anlise dos gases ................................................................................... 36

4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL .............................................................................. 37

4.1. PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL.......................................................................... 37

4.2. TEORIA APLICADA NO ENSAIO ............................................................................... 38

4.2.1. Vazo mssica .......................................................................................................... 38

4.2.2. Massa especfica ...................................................................................................... 41

4.2.3. Velocidade superficial ............................................................................................ 42

4.2.4. Eficincia e potncia trmica ............................................................................... 42

4.2.5. Eficincia carbonfera ............................................................................................. 44

4.2.6. Razo de equivalncia ............................................................................................ 44

4.2.7. Medida de alcatro e particulado ........................................................................ 46

5. RESULTADOS.................................................................................................................. 49

5.1. RESULTADOS OBTIDOS............................................................................................ 49

5.2. ANLISE DOS RESULTADOS ................................................................................... 55

5.2.1. Presso ....................................................................................................................... 56

5.2.2. Temperatura .............................................................................................................. 57

5.2.3. Vazo ........................................................................................................................... 59

5.2.4. Velocidade superficial ............................................................................................ 59

5.2.5. Concentrao ............................................................................................................ 60

5.2.6. Razo de equivalncia ............................................................................................ 61

5.2.7. Eficincia energtica e carbonfera .................................................................... 63

5.2.8. Poder calorfico inferior e potncia trmica ..................................................... 64

5.2.9. Alcatro ...................................................................................................................... 65

6. CONCLUSO E SUGESTES...................................................................................... 66

REFERNCIAS ..................................................................................................................... 69

15

1. INTRODUO

1.1. MOTIVAO E OBJETIVOS

Nos anos 70, mais precisamente na segunda metade desta dcada, vrios

pases inauguraram uma nova fase no setor energtico, devido ao aumento nos

custos de energia eltrica, motivados por fatores tecnolgicos e ambientais e a

recesso dos pases industrializados, bem como a crise do petrleo o que levaram

os pases a tomarem iniciativa das reformas institucionais deste setor. Sendo que

desta reforma abrangeria mais espao para a produo eltrica em pequena escala,

a cogerao e o uso mais intensivo de fontes energticas renovveis (Walter e

Nogueira, 1997).

Dentre essas fontes energticas a gaseificao desponta como uma opo,

pois em seu processo utiliza um gs energtico proveniente da biomassa. Este gs

pode ser empregado a partir de sua sintetizao ou mesmo diretamente em

aplicaes industriais tais como tratamento trmico, cermico, panificao, estufas,

secadores, calcinao, caldeiras, fornos de fundio metlicos e etc (Costa, 2007;

Rosenberg et al, 2005).

Apesar da viabilidade tcnica da tecnologia de gaseificao, ocorrem inmeros

problemas referentes ao processo e ao projeto desses gaseificadores, as quais

tambm esto envolvidas os sistemas de limpeza do gs. Dessa forma, o

desenvolvimento de novos gaseificadores e avaliao dos j existentes so

imprescindveis para o aprimoramento da tecnologia.

Esse trabalho tem por objetivo principal, caracterizar o prottipo de um

gaseificador indiano do tipo downdraft produzido por uma empresa local (Florags).

Os parmetros nominais deste gaseificador so: capacidade de produo de gs de

45 kW trmicos e consumo de biomassa (caroo de aa) de 15 kg/h; tendo como

dimenses: 150 mm de dimetro interno e altura de 2000 mm.

Especificamente buscou-se determinar as caractersticas da biomassa e do gs

produzido no gaseificador, quantificando a eficincia energtica e potncia trmica

do gs e a taxa de converso de carbono. Determinou-se tambm, a queda de

presso devido ao leito do reator e a temperatura dos gases na sada do reator, a

16

razo de equivalncia e a velocidade superficial do processo, bem como a

concentrao de alcatro, partculas e gases no condensveis (CO, CO2, CH4, SO2,

N2 e NOx) nos gases de combusto aps a sistema de limpeza.

1.2. CONTEDO

No captulo 2 apresenta-se a fundamentao terica da gaseificao de

biomassa, fazendo um breve comentrio sobre o que e como surgiu o processo de

gaseificao, mostrando o panorama atual, principalmente as pesquisas realizadas

no Brasil. Comenta sobre os principais tipos de gaseificadores existentes e descreve

sucintamente sobre as reaes envolvidas neste processo.

No captulo 3 mostra-se a descrio dos equipamentos e mtodos

considerados no desenvolvimento do presente trabalho. Neste captulo, faz-se uma

descrio detalhada de cada componente do gaseificador e do funcionamento do

sistema, tambm apresentada uma breve descrio da instrumentao utilizada

nas medies e a metodologia de operao no gaseificador.

No captulo 4 apresenta-se fundamentao matemtica aplicada nos ensaios,

descrevendo as equaes e aplicaes para a aquisio de dados.

No captulo 5 e 6 so mostrados e discutidos os resultados do experimento.

No capitulo 7, mostram-se as concluses, recomendaes e propostas de

pesquisa futuras a partir da experincia obtida no desenvolvimento do presente

trabalho.

17

2. REVISO DOS TRABALHOS PRVIOS

2.1. TEORIA DA GASEIFICAO

2.1.1. Cenrio histrico e atual dos gaseificadores

A primeira vez que se fez meno ao uso de gaseificadores, foram nas ltimas

dcadas do sculo 18 e no inicio do sculo 19 em processos de destilao seca

utilizando materiais orgnicos, tendo como finalidade a iluminao pblica. Ainda no

sculo 19 at meados do sculo 20, foram desenvolvidos outros mtodos para

construo de gaseificadores, os chamados modelos Bishoff e Siemens que

utilizavam como material gaseificante carvo e turfa, materiais de grande

disponibilidade na natureza que serviam para utilizao em gasognios que eram

equipamentos que serviam para alimentar veculos (figura 2.1), durante a segunda

guerra (Reed, 1988).

Figura 2.1: Veculo adaptado gasognio (Martinez, 2009).

Esses gasognios serviram de modelo para o desenvolvimento de

gaseificadores de biomassa e com a crise do petrleo na primeira dcada de 70,

alm de questes relacionadas ao aquecimento global devido queima de

combustveis fosseis no final da dcada de 90, houve fortalecimento de linhas de

pesquisas sobre de recursos renovveis de modo sustentvel. A partir desse

perodo, houve um interesse maior no processo e no desenvolvimento dos

gaseificadores (Ushima, 1999; Prins, 2005).

Dentro os maiores interessados nessa tecnologia, a ndia segundo Purohit

(2009) e Jorapuree (1997) desponta como sendo um dos pases que mais investem

18

em desenvolvimento de gaseificadores, respaldada pelo indicativo 320 milhes de

toneladas de resduos industriais produzidos por ano que podem ser usados em

aplicaes energticas, o que em termos de capacidades de plantas poderiam gerar

mais que 290 TWh de eletricidade por ano.

Dentre esses sistemas, est o gaseificador de topo aberto desenvolvido por

Mukunda et al. (1993), do Instituto Indiano de Cincias, que funciona acoplado a

motores de combusto interna. Uma modificao feita por uma empresa paraense

desse gaseificador objeto de estudo deste trabalho. Ao redor do mundo, inclusive

no Brasil, vrias instituies de ensino trabalham para o aprimoramento da

tecnologia de gaseificao onde aproveitam materiais residuais como cascas,

palhas, serragem, cavacos e especificamente resduos agroindustriais como bagao

de cana, casca de arroz, semente de algodo e outros (Sanchez et al, 1997; Kinto et

al, 2002)

Fernandes et al (2000), comprovou a viabilidade econmica do uso de

gaseificadores com a finalidade de eletrificao rural, utilizando capim-elefante e

casca de arroz. Barriga (2002), tambm realizou experimentos utilizando casca de

arroz em gaseificador de leito fluidizado, obtendo gases com rendimentos a frio de

48% e PCI de 3,2 MJ/Nm3.

Leal (2004) utilizou bagao de cana e palha em leito fluidizado, obtendo gases

com poder calorfico inferiores em torno de 5 MJ/Nm3, concluindo que a altas

temperaturas pode-se ter boa converso de carbono (>95%). Trs anos depois,

Ribeiro (2007) chamou de atrativo o desempenho de grupo geradores a diesel

destinado a eletrificao rural, utilizando um gaseificador do tipo downdraft

estratificado, motivado por seus resultados que apontaram reduo mdia de 83%

nas emisses de NOx, 14% nas emisses de CO2 e um aumento dobrado na

produo de CO, usando gs de sntese comparativamente ao diesel puro.

Martnez (2009) apresentou um estudo experimental de um gaseificador de

leito mvel do tipo extrao por baixo contendo dois estgios de fornecimento de ar.

A gaseificao de biomassa neste gaseificador gerou gases com PCI de 4,53

MJ/Nm3 e potncia trmica de 50 kWt. De acordo com Martnez, a configurao de

duplo estgio de fornecimento de ar mostrou-se como um mtodo eficiente na

diminuio do teor de alcatro no gs produzido.

19

Coelho (2006 e 2002) apresenta bons resultados com gaseificadores do tipo

downdraft trazidos da ndia, atravs dos projetos Gaseifamas e Gaseibras que busca

desenvolver a tecnologia e a formao de recursos humanos na regio norte.

Gaseificou-se cavacos de eucalipto, casca de cupuau e outras biomassas locais,

obtendo gases com PCS de 5,7 MJ/Nm3 capazes de gerar 20 kWe e que, segundo

Coelho, conseguiu reduzir em 80% no consumo de combustveis fsseis.

A Universidade Federal do Par, atravs do Grupo de Pesquisa em Energia de

Biomassa - ENERBIO participou do projeto Genipaba, que consistiu em construir e

implantar um gaseificador de 20 kWe. Este projeto possui como finalidade,

possibilitar o desenvolvimento sustentvel da comunidade de Genipaba atravs da

gerao de energia eltrica. No gaseificador, que de topo aberto e utilizando como

biomassa caroo de aa, produziu-se gases com PCS de 4,6 MJ/Nm3, no qual

obteve-se eficincia de 80% na converso de biomassa para gs (Rendeiro e

Elarrat, 2008).

Seguindo a temtica das pesquisas sobre gaseificao da biomassa acima,

este trabalho visa avaliar sistematicamente se os parmetros de um gaseificador do

tipo downdraft de topo aberto relativos ao consumo de biomassa e a eficincia

trmica condizem com os parmetros fornecidos pelo representante da empresa.

Avaliaram-se tambm outros parmetros de indicao de desempenho, como a

velocidade superficial e a taxa de converso de carbono.

2.1.2. Conceito

De acordo com Perry (1999), a gaseificao descrita como um processo que

envolve a combusto parcial de combustveis carbonceos ou hidrocarbonetos para

gerar um gs combustvel rico em monxido de carbono e hidrognio. Ou seja,

enquanto a combusto completa apresenta como produtos CO2, H2O e N2, a

gaseificao apresenta-se de forma incompleta, tendo como produtos CO, H2 e CH4,

alm claro, de certa quantidade de alcatro, isto , quando o combustvel for

biomassa, uma vez que a gaseificao de carvo mineral no produz alcatro (ou

produz quantidades nfimas).

20

2.1.3. Classificao dos gaseificadores

Segundo Silva Lora (2004), podemos classificar esses equipamentos da

seguinte forma:

Quanto ao poder calorfico do gs: considerado de baixo poder calorfico os que produzem gs com PCI at 5 MJ/Nm3, mdio poder calorficos os que

produzem gases com PCI entre 5 at 10 MJ/Nm3 e os que produzem gases

com PCI entre 10 a 40 MJ/Nm3 so considerados de alto poder calorfico.

Sendo que o poder calorfico define a aplicao final deste gs (Bridgewater,

2003; Nogueira e Trossero, 2000).

Quanto ao agente gaseificante: que pode ser o ar, oxignio ou vapor dgua ou combinao entre eles.

Quanto presso: que pode ser atmosfricos ou pressurizados (at 6 MPa).

Quanto direo do movimento do combustvel e do comburente: extrao por cima (contracorrente), extrao por baixo (co-corrente), fluxo

cruzado e leito fluidizado.

Os gaseificadores de extrao por cima so os mais simples e antigo, sendo ainda muito utilizados na indstria qumica na gaseificao de carvo mineral. Este

gaseificador possui como vantagem a capacidade de gaseificar lixo municipal, sendo

dessa forma capaz de gaseificar materiais com elevado teor de gua. Todavia, sua

simplicidade apresenta desvantagem no que diz respeito qualidade do gs, que

apresenta elevados teores de alcatro devido aos gases no passarem pela zona de

combusto (Ushima, 1999; Sanchez et al,1997).

Contracorrente se refere ao fato do combustvel ser alimentado pelo topo, seja

atravs de portinholas ou vlvulas rotativas, e desce em contracorrente ao ar ou

oxignio que pode estar ou no misturado a vapor dgua ou CO2 introduzido atravs

de uma grelha, localizado na base do gaseificador (Piferr, 2008). A Figura 2.2,

apresenta as regies normalmente encontradas ao longo da altura do leito de um

gaseificador de extrao por cima tpico.

21

Figura 2.2: Gaseificador de extrao por cima (Silva Lora, 2007).

Os gaseificadores de extrao por baixo (figura 2.3) ao contrrio do anterior, o gs sai por baixo e tem como vantagem a baixa produo de alcatro, pois o

mesmo craqueado na zona de combusto, sendo este mais indicado para uso em

motores a combusto interna. Tendo como principal desvantagem a utilizao de

combustveis com pouca umidade e de granulometria uniforme (Correia Neto, 2001;

Rajvanshi, 1986).

Neste tipo de gaseificador, os injetores de ar so posicionados diretamente na

regio de combusto, objetivando distribuir uniformemente o oxidante para que seja

atingida a temperatura adequada em toda seco afim de craquear os alcatres que

por ela passam (Martinez, 2009).

Figura 2.3: Gaseificador de extrao por baixo (Silva Lora, 2007).

G

Ar Ar

Biomassa

Gs

Biomassa

Ar

Gs

22

Nos gaseificadores de fluxo cruzado (figura 2.4), o ar entra em alta velocidade por um nico bocal, forando a circulao e a fluncia atravs do leito de

carvo e gases. Este gaseificador capaz de produzir altas temperaturas, o que

minimiza a concentrao de alcatro, embora favorea produo maior de cinzas

nessa rea. As cinzas e a grande quantidade de combustvel ao redor da zona de

pirlise funcionam como isolantes, permitindo que o gaseificador seja construdo

com aos moderados (Ribeiro, 2007).

Figura 2.4: Gaseificador fluxo cruzado (Silva Lora, 2007).

Os gaseificadores de leito fluidizado (figura 2.5) foram desenvolvidos antes da segunda guerra mundial com a finalidade de gaseificar grandes quantidades de

carvo mineral, sendo chamados de gaseificadores Winkler, que mais mais tarde foi

adotado por indstrias qumicas e petroqumicas para craqueamento cataltico de

hidrocarbonetos, alm de outras aplicaes (Cenbio, 2002).

Figura 2.5: Gaseificador de leito fluidizado (Silva Lora, 2007).

Biomassa

Ar

Gs

Biomassa

Gs Ar

23

O que diferencia o leito fluidizado do leito fixo , basicamente, a velocidade em

que se processa o agente gaseificante. O gaseificador de leito fixo utiliza apenas o

necessrio para o processamento das reaes, mas no sendo suficiente para

arrastar partculas. Dessa forma, as interaes entre as partculas so de alta

intensidade o que reflete em uma gaseificao mais completa (Vargas, 2001; Miccio

et al, 2007).

A vantagem do leito fluidizado a alta capacidade volumtrica e o fcil controle

da temperatura, tendo como desvantagens a alta quantidade de partculas de poeira

e cinzas no gs, alm da formao de alcatro a baixas temperaturas de operao

(Safitri, 2005; Lettner et al, 2007).

Segundo Sanchez et al (1997), a gaseificao em leito fluidizado promissora,

principalmente quando se trata de combustveis como bagao de cana, casca de

arroz, etc., pois estes biocombustveis so de difcil gaseificao por mtodos

tradicionais devidos suas caractersticas (umidade, granulometria, etc).

Sanchez tambm faz uma comparao das caractersticas do gs em

diferentes tipos de gaseificadores, mostrando que o tipo de gaseificador influencia

nas caractersticas do gs produzido. A composio tpica de gases produzidos em

diferentes gaseificadores retirados os eventuais valores de alcatro mostrada na

tabela 2.1, a partir de um levantamento feito por Bridgwater em 1991.

Tabela 2.1: Gases produzidos por gaseificadores para biomassa (Bridgwater, 1991)*.

Gaseificador

Composio do gs

(%Vol.Base seca) PCS

(MJ/Nm3)

Qualidade do gs**

H2 CO CO2 CH4 N2

Leito fluidizado 9 14 20 7 50 5,4 Mdia

Contracorrente 11 24 9 3 53 5,5 Pobre

Co-corrente 17 21 13 1 48 5,7 Boa

**Particulado e alcatro.

*Tabela retirada de Sanches, 1997.

24

Essas composies mdias definem o tipo de gaseificador que deve ser

utilizado para determinada finalidade, por exemplo, se quisermos produzir um gs

rico em metano, optaremos por um gaseificador do tipo leito fluidizado por

apresentar gases com maior teor deste gs.

2.1.4. Zonas de processo

Alguns autores (Ponte Filho, 1988, Knoef, 2008; Wander, 2001), descrevem a

ocorrncia de vrias zonas de reao nos gaseificadores as quais so chamadas:

zona de secagem, pirlise, combusto e gaseificao, alm de reaes envolvendo

o alcatro e os produtos de pirlise.

A zona de secagem fica localizada no topo do gaseificador a qual sofre um pr-

aquecimento gerado pelos gases quentes, o que provoca a secagem da biomassa,

sendo que a umidade removida ser transferida para os gases. Nesta zona a

temperatura pode variar de 350C a aproximadamente 600C, tratando-se um

gaseificador tipo updraft, ou seja, com a sada dos gases por cima.

A zona de pirlise a rea em que ocorrer a desvolatizao dos componentes

da biomassa, tais como, a destilao dos gases, leos e alcatro. A temperatura

nessa zona varia de 600 a 800C, e pode ser descrita de acordo com a reao

abaixo:

Biomassa + Calor Coque + Gases + Alcatro +

Condensveis

(1)

Nas zonas de combusto e gaseificao ocorrem reaes homogneas e

heterogneas de carter oxidativas e redutivas em fases slidas e gasosa:

Reaes Heterogneas gs-slido

a) Oxidao do carbono

C + O2 = CO H= -110,6 kJ/mol (2)

C + O2 = CO2 H = -393,8 kJ/mol (3)

b) Reao de Bouduard

25

C + CO2 = 2 CO H = 172,6 kJ/mol (4)

c) Reao de gs de gua ou reao carbono vapor

C + H2O = CO + H2 H = 131,4 kJ/mol (5)

d) Reao de formao de metano

C + 2 H2 = CH4 H = -74,93 kJ/mol (6)

Reaes Homogneas (gasosa)

a) Reao de troca da gua

CO + H2O = CO2 + H2 H = - 41,2 kJ/mol (7)

CH4 + H2O = CO + 3

H2

H = 201,9 kJ/mol (8)

As reaes envolvendo o craqueamento do alcatro produzido no gaseificador

e os produtos de pirlise que sofrem oxidao so mostradas abaixo:

Alcatro + Vapor + Calor = CO + CO2 + CH4...etc (9)

1/3 (CO + H2+ CH4) + O2 = 2/3 CO2 + H2O (10)

Todas as equaes acima mostram apenas uma simplificao das reaes no

interior do gaseificador, tendo em vista sua complexidade. Mesmo assim, elas so

capazes de descrever a formao gasosa do processo de gaseificao (Cenbio,

2002).

De acordo com Sanches et al (1997), apesar da versatilidade tcnica da

gaseificao ainda encontra-se dificuldades da transformao do potencial terico

em uma tecnologia comercialmente competitiva. Pois, ainda residem dificuldades no

projeto de um equipamento que deve produzir um gs de qualidade, que seja

adaptado s condies do combustvel e de operao.

Correia Neto (2001) cita algumas dessas dificuldades:

A tecnologia mais complicada que a queima direta;

26

Tm-se que ter segurana especial quanto ao gs txico produzido, o que

exige projetos estanques e em local ventilado;

Apresenta baixa eficincia trmica quando requer lavagem do gs, perda de

calor na instalao e potncia de ventiladores;

Pequenas escalas apresentam falhas freqentes;

Dificuldades no manuseio do combustvel e na limpeza dos gases;

A presena de alcatres e particulados exige limpeza para garantir

integridade fsica de turbinas e outros equipamentos contra corroso e

contaminao.

Mesmo assim, podemos perceber que a gaseificao um processo cuja

tecnologia j se tem domnio, no qual pesquisadores, instituies e grupos

comerciais se dedicam no apenas em desenvolver e comercializar gaseificadores,

como tambm, testar os j existentes no mercado com novos tipos de biomassa.

27

3. DESCRIO DOS EQUIPAMENTOS E MTODOS

3.1. DESCRIO DO GASEIFICADOR

O gaseificador downdraft indiano Mukunda (figura 3.1) cujo modelo foi

adaptado s condies locais pela Florags, empresa paraense incubada na PIEBT

(Programa de Incubadora de Empresas da UFPA). O equipamento foi adquirido pelo

Projeto Gaseificadores de topo aberto operantes na Amaznia financiado pela

FINEP com a intervenincia da Fundao de Amparo e Desenvolvimento Pesquisa

FADESP, e instalado no Laboratrio de Engenharia Mecnica LABEM/UFPA.

Figura 3.1: Gaseificador downdraft em operao no LABEM/UFPA

3.1.1. Funcionamento do sistema

A mistura gasosa produzida no interior do reator a partir do tratamento

trmico da biomassa e conduzido de acordo com o esquema abaixo (figura 3.2).

Esse gs arrastado atravs do sistema de limpeza do equipamento por meio de

um exaustor localizado prximo ao queimador de gs.

Figura 3.2: Ilustrao do caminho percorrido pela corrente gasosa.

Coletor de resduos Reator Ciclone Tanque de lavagem

Desumidificador Defletor Filtros (caroo e automotivo) Flare

28

No sistema de limpeza, a corrente gasosa entra perpendicularmente a uma

corrente aquosa, onde ocorre a lavagem deste gs, propiciada por uma bomba que

faz a recirculao da gua. A gua contendo alcatro e particulados so retirados

por meio de um ciclone, o gs conduzido por cima at um desumidificador e um

defletor, cujos anteparos retm o alcatro e umidade passantes.

O sistema ainda conta com dois filtros, um contendo caroo de aa e um

automotivo, que complementa o sistema de limpeza do gs. A partir da, o gs

queimado e lanado na atmosfera atravs de um flare. Na figura 3.3, est o

esquema descritivo desse gaseificador, mostrando seus componentes originais, que

tambm so mostrados em detalhes na seqencia.

Figura 3.3: Detalhes do gaseificador Mukunda

3.1.2. Reator

O reator do gaseificador mostrado em corte na figura 3.4.a, possui um corpo

cilndrico cujas dimenses so: 1,636 m de altura e 0,15 m de dimetro interno,

tendo rea de seco transversal de 0,018 m2 . Foi construdo com chapas de ao

de 3 mm de espessura, as quais esto internamente revestidas com tijolos

refratrios, com o intuito de preservao da chapa contra o calor e processos

corrosivos.

Bomba

Reator

Lavagem

Ciclone

Coletor de resduos

Filtro (automotivo)

Filtro (caroo de aa)

Exaustor

Flare

29

O reator possui ainda uma grelha constituda de ferro fundido, na base do

cilindro e abaixo do reator, tem-se um coletor de resduos, do tipo parafuso sem fim

por onde se retira as cinzas e restos de carvo (detalhe, figura 3.4.b).

a)

b)

Figura 3.4: a) Gaseificador em corte; b) Detalhe do coletor de particulados

3.1.3. Bomba/exaustor

Tanto a bomba de circulao de gua quanto o exaustor possuem potncia de

CV. O ventilador que utilizado para suco do gs est posicionado antes do

flare e aps todo sistema de limpeza do gaseificador.

3.1.4. Lavador/ciclone

A lavagem do gs se faz antes do ciclone, pois h uma pr-mistura da gua

com gs a fim de separar o alcatro da corrente gasosa e resfriar o gs. A massa

retida na lavagem fornece valores para as quantidades de alcatro e particulados, a

vazo mxima de gua para resfriamento do gs de 6 l/min. Segundo idealizadores

do projeto, o ciclone foi dimensionado para separar partculas acima de 0,5 mm.

3.1.5. Tubos, mangueiras e vlvulas

As tubulaes so feitas de ao comercial de 2 de dimetro, e as mangueiras

de polietileno de mesmo dimetro. Foram instaladas na sada dos gases vlvulas

globo de ao galvanizado para controle da corrente gasosa.

30

3.1.6. Filtros

O gaseificador possui dois filtros (figura 3.5): um de caroo de aa, que retira

boa parte do alcatro e umidade, e o outro, constitudo de um filtro automotivo para

o particulado. O filtro de caroo de aa possui 0,25 m de dimetro por 0,3 m de

altura. O filtro de particulado possui 0,25 m de altura e 0,25 m de largura.

3.1.7. Flare

O queimador constitudo de um tubo de ao com dimetro de 0,025 m e 2 m

de comprimento, usa-se para ignio do gs, um maarico que utiliza butano, os

gases combustveis produzidos pelo gaseificador foram queimados por questes

ambientais. Ao longo da haste instalou-se uma placa de orifcio com a finalidade de

medio de presso e velocidade dos gases.

3.2. APARELHAGEM DE MEDIO

Para realizao das medies dos parmetros importantes no gaseificador,

utilizou-se aparelhos para medies de velocidade, temperatura, presso,

concentrao de gases e para determinar particulado e alcatro presentes nos

gases.

a) b)

Figura 3.5: a) Filtro de caroos de aa; b) Filtro automotivo.

31

3.2.1. Medio de velocidade

Para medio de velocidade do ar, utilizou-se um molinete da marca TESTO

350 M/Xl - TESTO 454 (Bagarel, 2008), mostrado na figura 3.6, colocado de forma

perpendicular ao orifcio de entrada de ar no reator,e cuja faixa de medio vai de 0

20 m/s, com preciso de 0,03%. Obtida esta velocidade, pode-se calcular a

vazo mssica de ar que entra na zona de reao do gaseificador. Este

equipamento tambm serviu para calibrar a placa de orifcio posta na sada do

gaseificador, com o objetivo de obter a presso e velocidade neste ponto.

Figura 3.6: Molinete

3.2.2. Medio de temperatura e presso

O conhecimento e controle da temperatura e presso em um gaseificador so

primordiais para que o fenmeno da gaseificao acontea, pois, atravs destes

parmetros, foi verificado o comportamento da produo de gases. Para medies

de temperatura utilizou-se um termopar tipo ponta de imerso modelo MTK-13 da

fabricante Minipa, cuja faixa de medio de -50C at 700C, colocado na sada do

reator e na sada do flare. A presso dos gases na sada do reator e na placa de

orifcio foram medidas utilizando um manmetro em U, que indica a presso em

coluna de gua (c.a). Evitou-se utilizar manmetro digital devido concentrao de

alcatro presente no gs, o que poderia danificar o equipamento.

32

3.2.3. Coleta de alcatro e particulados

Uma mangueira de material resistente corroso foi ligada s vlvulas na

tubulao de escoamento do gs produzido, a jusante do lavador, com a finalidade

de permitir a coleta de gs. Para coleta do gs utilizou-se um coletor isocintico

(Energtica, 2008) chamado de CIPA (figura 3.7), que capaz de determinar a

quantidade de particulado e alcatro presentes no gs, bem como a vazo

volumtrica de gs coletado pelo equipamento.

O CIPA utiliza como substncia seqestrante de alcatro o isopropanol,

possuindo um filtro de papel que captura o particulado presente no gs, sendo que a

massa coletada no papel de filtro e na soluo de isopropanol foi pesada em uma

balana com sensibilidade de 0,001 g. A medida do volume feito atravs de um

gasmetro instalado antes e depois da amostragem, a diferena de leitura no tempo

fornece o volume da amostragem, obviamente corrigido para presso e temperatura,

segundo normas da ABNT sobre efluentes gasosos (MB-3355/NBR 12020). Quanto

preciso do gasmetro utilizado no CIPA a incerteza de 2%.

Figura 3.7: Coletor isocintico

3.2.4. Medidores de concentrao gasosa

Os equipamentos Tempest-100 e Greenline (figuras 3.8.a e 3.8.b,

respectivamente) foram utilizados para medir a composio dos gases provenientes

do gaseificador: SO2, NO, NOX, CO, CO2, CxHy.

33

a)

b)

Figura 3.8: Medidores de concentrao: a) Tempest-100; b) Greenline.

Estes medidores foram empregados aps limpeza de gs no CIPA. O Tempest-

100 mediu as quantidades de NO, NOX e SO2, o Greenline as concentraes de CO,

CO2, CxHy, cujos resultados so expressos em ppm (parte por milho), utilizando o

sensor infravermelho.

No entanto, houve dvidas na utilizao desses equipamentos, uma vez que

seus limites de medio poderiam no ser apropriados para utilizao com gases

provenientes de gaseificadores, no qual tm-se elevados teores de monxido de

carbono. A faixa de deteco e a preciso desses aparelhos so mostradas na

tabela 3.1.

Tabela 3.1: Caractersticas dos equipamentos de medio de gases

Greenline Tempest 100

Elemento Faixa Erro Elemento Faixa Erro

CO2 O -20% +/- 0,3% SO2 0-0,2% >100 ppm: +/- 5% fsd

CO 0-15% +/- 0,3% NO 0-0,1%

CxHy 0-5% +/- 5% (f.s) NOx 0-0,2% >20 ppm: +/- 5% fsd

34

3.3. OPERAO DO GASEIFICADOR

A operao do gaseificador exige aplicao de conceitos de segurana,

conhecimento tcnico do funcionamento e princpios que envolvem desde a

preparao da matria-prima e ignio do gaseificador gaseificao propriamente

dita, bem como o tratamento dos gases e resduos e a manuteno do ciclo de

funcionamento. Para operar e obter todos os dados sobre o gaseificador

necessrio os procedimentos seguintes.

3.3.1. Tratamento da biomassa

A biomassa (caroo de aa) obtida mida e contendo grande quantidade de

material particulado, proveniente da despolpagem da fruta. Este particulado deve ser

limitado para evitar obstruo parcial ou total do leito com formao de canais

preferenciais por onde os gases facilmente escoam comprometendo a eficincia do

gaseificador.

Sendo assim, estufas e balanas analticas foram utilizadas para determinao

de umidade da biomassa e peneiras com aberturas de dimetro menor a 0,01m

foram empregadas para adequao da biomassa ao gaseificador.

A biomassa que passou por secagem ao sol, para atingir em torno de 16% de

umidade, tambm recebeu tratamento de peneiramento para se obter as fraes

granulomtricas desejadas. Foi utilizada uma peneira de acionamento manual para

eliminao das partculas delgadas que prejudicam o funcionamento do gaseificador.

3.3.2. Leito de carvo e recarga do reator

Para as reaes de gaseificao se processar, necessrio antes do inicio do

processo de converso, que se tenha um leito j formado com uma altura

estabelecida e com temperatura adequada gaseificao. Ento, a partir da, deve-

se efetivar o acendimento do leito de carvo. Com o exaustor ligado, queima-se

dentro do reator cerca de 0,8 kg de carvo vegetal. A queima feita atravs do

orifcio de entrada do ar, bem na zona de reao, vista na figura 3.9 a, utilizando

para isto, um maarico.

35

Quando a zona de combusto estiver formada, introduz-se pela parte superior

do sistema de alimentao (figura 3.9 b), biomassa suficiente at o nvel da borda do

equipamento, e em seguida, fecha-se o topo do gaseificador. Decidiu-se utilizar o

topo fechado, devido fumaa que costumeiramente escapava por cima, indicao

clara que a depresso imposta pelo exaustor ao interior do reator era insuficiente

para extrair todos os gases. Tambm porque a chama produzida pelo gs era mais

intensa, o que dava a entender um melhor desempenho do equipamento.

a)

b)

Figura 3.9: Queima no gaseificador: a) Zona de reao; b) Recarga do reator.

Uma observao importante que o operador no deve fechar o topo do

gaseificador estando diante da entrada de ar, devido produo de labaredas

ocasionadas pelo aumento de presso no interior do reator.

3.3.3. Resduos

A quantidade de resduos, aps converso de uma recarga de biomassa no

reator, depende da biomassa e do tempo de experimento. A remoo do excedente

residual (figura 3.10) feita atravs de um parafuso-sem-fim na base do reator e no

sistema de lavagem.

36

a)

b)

Figura 3.10: Resduos: a) Carvo residual; b) Soluo de lavagem de gases.

3.3.4. Coleta e anlise dos gases

Aps a passagem do gs pelo sistema de limpeza do gaseificador e do sistema

de remoo de alcatro, os analisadores do gs, bem como os operadores, devem

estar disponveis, prximo do gaseificador, para efetuar as anlises desejadas.

37

4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL

4.1. PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL

A metodologia utilizada para avaliar o gaseificador baseou-se na realizao de

testes experimentais com a finalidade de verificar as condies de eficincia e

operao do equipamento. Neste gaseificador, consideraram-se como fatores de

entrada no processo as vazes de ar e biomassa; como fatores de sada

consideraram-se a concentrao volumtrica dos gases produzidos (CO e CH4), seu

poder calorfico inferior e sua potncia, a capacidade de produo de gs e a

eficincia a frio do processo.

Determinou-se tambm outros fatores de relevante importncia na

caracterizao de um gaseificador como a velocidade superficial do gs gerado ( su ),

a taxa especifica de processamento de biomassa ( Y ), e a razo de equivalncia do

processo (). A meta deste trabalho consiste em identificar os parmetros de

entrada e de sada do gaseificador sem realizar qualquer variao nestes

parmetros de tal forma manter sua configurao original.

As medies no gaseificador foram realizadas de 10 em 10 minutos, utilizando

exclusivamente caroo de aa como biomassa. Neste teste, considerou-se apenas

uma corrida por tempo limitado pouco mais de 1h e 30 minutos (tempo mdio de

funcionamento do gaseificador obtido de experimentos preliminares), devido a um

acmulo de carvo na regio da garganta do equipamento impedindo a continuidade

do processo.

O experimento inicia-se com o enchimento do tanque dgua, onde feita a

lavagem do gs, posteriormente, adequa-se ao gaseificador os equipamentos de

medida (termopares, manmetros, coletor de partculas e medidores de

concentrao gasosa). Adiciona-se aproximadamente 1 kg de carvo para formar a

zona de combusto. A partir da, liga-se o gaseificador e, utilizando um maarico,

incinera-se o carvo colocado no reator atravs do bocal de admisso de ar.

Com o leito de carvo em combusto, adiciona-se a biomassa at nivelar-se ao

topo. Quando a fumaa, inicialmente produzida, converter-se a gs combustvel, o

38

que acontece com o tempo aproximado de 10 minutos do incio do processo,

porque o sistema entrou em regime e, a partir da, pode-se efetuar as medies

necessrias.

Efetuam-se as medies de acordo com os seguintes procedimentos: utilizando

um molinete, mede-se a velocidade do ar e do gs produzido no orifcio de admisso

de ar e na sada do flare (sem o distribuidor de chamas) respectivamente; verifica-se

a temperatura na sada do reator e na sada do flare (orifcio da tomada de presso),

bem como a variao de presso nesses pontos; mede-se a altura de leito

consumido com uma rgua para determinao da vazo mssica. Enquanto isso,

dois operadores devem acompanhar o desempenho do coletor de partculas (ligado

ao gaseificador atravs do cordo umbilical do equipamento, isto , sem a sonda) e

operar os equipamentos de medio de concentrao gasosa (Tempest e

Greenline).

A recarga com biomassa no gaseificador foi efetivada de 20 em 20 minutos.

Quando o gaseificador comeou a apresentar problemas de entupimento na regio

da garganta (diminuio da produo de gs) e na lavagem do gs (saturao da

gua por alcatro), desligou-se o gaseificador. Aps resfriamento do equipamento,

verificaram-se os resduos no coletor e, no leito do reator, separou-se o carvo

(biomassa carbonizada) da biomassa no carbonizada. Com isso, puderam-se

determinar as quantidades de carvo produzido.

Todos os dados coletados foram organizados em uma planilha para posterior

tratamento dos objetivos. A forma como foi feito o tratamento desses dados

comentado minuciosamente no tpico abaixo.

4.2. TEORIA APLICADA NO ENSAIO

4.2.1. Vazo mssica

A vazo volumtrica do ar na entrada do injetor do gaseificador foi determinada

atravs da equao 4.0, onde n a velocidade e A a rea da seco por onde

ocorre o escoamento:

39

3. (m / )ararQ v A h

= (4.0)

( kg h)ar ar arm Ar n

= (4.1)

Para medida da vazo mssica (eq. 4.1), foi utilizada a massa especifica do ar

igual a 1,16 kg/m3 pois a temperatura mdia do ar de 28C e a presso de 1 atm,

sendo a rea de entrada de ar igual a 3,14.10-4 m2.

O clculo de vazo mssica da biomassa baseou-se na equao abaixo (eq.

4.2), onde A a seco transversal do gaseificador que corresponde a 1,8.10-2 m2, h

a altura do leito consumido, e cuja massa especfica aparente medida para o

caroo de aa foi de 232 kg/m3, e t o tempo de operao. A altura foi medida de 10

em 10 minutos, utilizando uma rgua calibrada.

2 1( ) (kg/h)st apbioA h h

mt

r -= (4.2)

Em gaseificao a medio de vazo do gs sempre complicada, pois o uso

de instrumentos eletrnicos prejudicado pela presena de alcatro no gs, o que

torna invivel a utilizao desses equipamentos antes da limpeza eficiente desse

gs. Na maioria das vezes utilizam-se placas de orifcio para determinar a

velocidade do gs a partir da diferena de presso a montante e a juzante da placa,

utilizando para essa medida um manmetro. A partir do valor da velocidade e

conhecendo a rea de escoamento pode-se determinar a vazo volumtrica do gs.

3. (m / )gsgsQ v A h

= (4.3)

Nesse sentido, procurou-se determinar a vazo de gs a partir deste preceito,

determinando presso e velocidade do gs. Isso foi feito, colocando-se uma placa

de orifcio na tubulao do flare, cuja relao orifcio/tubo 0,6, e fez-se a calibrao

da placa utilizando ar. Para essa calibrao, colocou-se uma tomada de presso

esttica a montante e a juzante desta placa e verificava-se a presso ao mesmo

tempo em que era feita a leitura da velocidade do ar na sada do flare, utilizando um

40

molinete. Dessa forma, determinaram-se as velocidades de sada do ar variando a

presso atravs de uma vlvula, o resultado desta calibrao est na tabela abaixo:

Tabela 4.1: Medidas de presso e velocidade do ar.

P(mmca) V (m/s)

16 2,1

12 1,7

10 1,5

8 1,4

6 1,25

4 0,9

No entanto, durante o experimento notou-se infiltraes de ar no sistema,

devido a deformidades do prprio equipamento, o que elevava a medida da

velocidade e conseqentemente a vazo. Mediu-se essa quantidade de ar infiltrada

fazendo balanos da massa de ar na entrada e na sada, verificou-se que a

diferena dessas massas correspondem a de ar infiltrado, cujo valor corresponde a

22% da massa de ar reacional da entrada do gaseificador, ou seja, para se obter o

valor real da massa de ar na sada do flare, deve-se efetuar a subtrao do ar

infiltrado. Com isso, temos:

0, 22gs gsmedido arQ Q Q

= - (4.4)

Inserindo-se a massa especifica do ar e do gs, a qual calculada em tpico

posterior, determina-se a vazo mssica do gs, mostrada na equao abaixo:

0,22gs gsmedido arm m m

= - (4.5)

Onde:

41

3

3

vazo mssica do gs (kg/h)

massa de gs bruta (kg/m )

0, 22 massa de ar infiltrado (kg/m )

gs

gsmedido

ar

m

m

m

=

=

=

A transformao da vazo volumtrica do ar e do gs para condio normal

dada pela equao abaixo, levando-se em considerao que tanto o ar quanto o gs

foram trabalhados presso de 1 atm.

( )3( ) Nm273i

i N iTQ xQ h

= (4.6)

( )( )

( )

3( )

3

Vazo volumtrica na condio normal Nm

Vazo volumtrica da substncia na condio de operao m h

Temperatura da substncia K

i N

i

i

Q h

Q i

T i

=

=

=

Como a massa de carvo residual, de alcatro na lavagem, nos filtros e

tubulaes, bem como a quantidade de particulado difcil de determinar

separadamente, decidiu-se chamar de vazo mssica residual, toda e qualquer

massa que no se relacione a vazo de biomassa, ar e gs. Ento, tm-se:

( ) ( kg h)resdual biomassa ar gsm m m m

= + - (4.7)

4.2.2. Massa especfica

A massa especifica do gs foi calculada a partir da equao 4.8, considerando

a presso 101325 Pa e a constante universal dos gases 8315 J/kmol-K. Todavia,

tornou-se necessrio o clculo do peso molecular do gs para completar a equao.

A massa molecular determinada a partir do conhecimento das fraes

volumtricas dos componentes do gs, que obtido a partir de sua anlise. Obtida

3. . (kg/m )gs gsP MW R Tr = (4.8)

42

as fraes volumtricas do gs, pode-se determinar a massa molecular do gs a

partir da equao 4.9.

4.2.3. Velocidade superficial

A velocidade superficial ( su ) de um gaseificador um parmetro para

comparao de desempenho, e conseqncia da taxa de produo de gs, do teor

energtico do gs, da taxa de consumo de combustvel, da produo de carvo e

alcatro produzida (Reed, 2002). Nos testes de Reed, utilizam-se velocidades

superficiais na faixa de 0,05 at 0,26 m/s em gaseificadores do tipo downdraft, e

observou que com aumento da velocidade superficial, houve acrscimo na produo

de gs e diminuio na produo de alcatro e carvo, sendo este parmetro

definido de acordo com a equao abaixo:

(m/s)sst

QA

u

= (4.10)

Onde:

3

2

taxa de produo de gs ( Nm )rea da seco transversal do reator (m )st

Q sA

=

=

4.2.4. Eficincia e potncia trmica

A eficincia trmica dada pela relao entre o calor utilizvel nas correntes

efluentes e afluentes do reator (equao 4.11) e que pode ser mensurada tanto a

quente quanto a frio. Preferiu-se utilizar a eficincia a frio pelo fato desta utilizar

somente a energia qumica do gs desprezando a energia sensvel do mesmo, o

que poderia gerar valores errneos nos clculos, segundo Martinez (2009).

( )2 4 2 2 228[ ] 44[ ] 16[ ] 30[ ] 46[ ] 64,1[ ] 28[ ]100

CO CO CH NO NO SO Ngs

X X X X X X XMW

+ + + + + += (4.9)

Massa molecular do gs (kg/kmol)gsMW =

43

.

.

gsgstrmica

biomassa biomassa

Q PCI

m PCIh

= (4.11)

O poder calorfico de um gs pode ser calculado de acordo com a equao

4.12 abaixo:

No entanto, como a frao de H2 e outros hidrocarbonetos no foram

determinados, optou-se em utilizar uma equao emprica do poder calorfico do gs

(equao 4.13) de acordo com Tiangco (1986). O poder calorfico da biomassa foi

obtido juntamente com outras anlises fsico-qumicas mostradas na tabela 5.1 no

prximo captulo.

A taxa especfica de processamento de um reator ( Y ) a relao entre a

vazo mssica da biomassa e a rea da seco transversal do reator (equao

4.14). Para validar a equao emprica do poder calorfico do gs, a taxa de

processamento dever estar compreendida entre 100 a 400 kg/m2h.

( )2 kg m hbiost

mA

Y = (4.14)

Onde:

3

3

vazo volumtrica do gs (Nm /h)

vazo da biomassa (kg/h) poder calorfico inferior do gs (MJ/Nm )

poder calorfico inferior da biomassa (MJ/kg)

rea da seco transvers

gs

bio

gs

bio

st

Q

mPCIPCIA

=

=

=

=

= 2

2

al do gaseificador (m )

taxa especfica de processamento (kg/h-m ), 100 400Y = Y

4 4 2 2= + +...+gs i i CH CH H H CO COPCI Y PCI Y PCI Y PCI Y PCI= (4.12)

3 35,9417 8,2893.10 ( / )gsPCI MJ Nm-= - Y (4.13)

44

A potncia trmica do gs gerada foi obtida atravs da equao 4.15 onde, o

as unidades do poder calorfico e a vazo volumtrica, so respectivamente kJ/Nm3

e Nm3/s.

t. (kW )trmica gs gsPot PCI Q

= (4.15)

4.2.5. Eficincia carbonfera

Na eficincia de converso de carbono, verifica-se a quantidade de carbono

que foi convertida durante o processo. Para determin-la utilizaram-se os

componentes que apresentam carbono presentes no gs (CO, CO2 e CH4), que

foram identificados pelos aparelhos de medida, relacionando com a frao de

carbono presente na biomassa (ver tabela 5.1), dessa forma, o rendimento

carbonfero pode ser obtido atravs da equao 4.16 descrita abaixo:

.

.

..

gs carb gscarbono

biomassa carb bio

m ym y

h

=&

& (4.16)

4 2.

% %% 12 12 12. . .100 28 100 16 100 44carb gs

CH COCOy = + + (4.17)

Sendo gm

a vazo mssica do gs, bm

a vazo mssica da biomassa e .carb gsy

a frao mssica de carbono presente no gs (4.17) e .carb bioy a frao mssica de

carbono na biomassa (tabela 5.1), alm de %CO, %CH4 e %CO2 que so as fraes

volumtricas medidas no gs.

4.2.6. Razo de equivalncia

A razo de equivalncia () comumente usada para indicar quantitativamente

se a mistura combustvel-oxidante rica (>1, onde existe falta de oxignio), pobre

(

45

comb

ox real

comb

ox st

mmmm

F =

(4.18)

( )

massa do oxidante (kg)massa do do combustvel (kg)

condio estequiomtrica

ox

comb

st

mm

==

=

Para determinar os termos da equao 4.18, torna-se necessrio a reao

entre o combustvel e o oxidante. A partir da tabela 5.1 de anlise elementar, obtm-

se o percentual de carbono, oxignio e hidrognio, o que deve ser divididos pelas

suas respectivas massas molares, e com isso determina-se a frmula emprica da

biomassa.

3,92 6,58 2,76C H O (4.19)

A biomassa trs consigo um teor de umidade, que segundo tabela 5.1 de

aproximadamente 17%, a formula emprica informa que a massa molecular da

biomassa seca de 97,78 kg/kmol. A massa molecular da gua 18 kg/kmol, e

considerando uma base de clculo de 100 kg de biomassa mida, 83 kg sero de

biomassa seca e 17 kg sero de gua. Em termos molares, significa 0,85 mol de

biomassa e 0,95 mol de gua, ento, para cada 1 mol de biomassa teramos 1,12

mol de gua, ou seja:

3,92 6,58 2,76 2C H O + 1,12H O (4.20)

Entretanto, para se ter combusto necessrio a biomassa reagir com um

oxidante, que no caso o ar atmosfrico. Com isso, equaciona-se a expresso j

com os produtos de combusto:

( )3,92 6,58 2,76 2 2 2 2 2 2C H O + 1,12H O + O + 3,76N aCO + bH O + cNa (4.21)

Balanceando a equao obtm-se:

46

( )3,92 6,58 2,76 2 2 2 2 2 2C H O + 1,12H O + 4,185 O + 3,76N 3,92CO + 4,41H O + 15,73N (4.22)

Ento, a partir da equao acima, monta-se a relao combustvel/oxidante na

condio estequiomtrica:

2 2

2 2

( ) ( ) bio

ar

+ kg1 97,78 + 1,12 18 = 0,21 ( 3,76 ) 4,185(32 +3,76 28) kg

bio s bio s H O H Ocomb

ox ox O Nst

n MW n MWmm n MW MW

= = +

(4.23)

Para determinar a relao combustvel/oxidante real, necessrio apenas

efetuar a razo entre as vazes mssicas da biomassa e do ar, obtidas no

experimento. Com isso, temos:

bio

ar

kg kg

biocomb

ox real ar

m mm m

=

(4.24)

Esses clculos foram replicados para diferentes vazes mssicas de

combustvel e ar, de tal forma a obter-se a razo de equivalncia (equao 4.18) em

todos os pontos medidos, e com isso, defini-se o desempenho do poder de

converso do gaseificador.

4.2.7. Medida de alcatro e particulado

O CIPA (coletor isocintico de poluentes atmosfricos) possui trs pontos para

coleta de resduos, sendo eles:

O filtro de papel, que utilizado para reter particulado, sendo que no caso da

gaseificao, geralmente esse particulado vem junto com alcatro;

Uma soluo contendo isopropanol utilizada para reter alcatro que passa

pelo filtro;

A mangueira de conduo gasosa, onde eventualmente particulados ficam

retidos.

47

Figura 4.1: Ponto de coleta de resduos.

O procedimento para medir a quantidade de particulado que fica retido no filtro

de papel do equipamento simples: o papel de filtro deve ser pesado antes e aps o

experimento em balana de preciso, a diferena ser a massa retida de particulado

e alcatro para determinado volume de gs.

particuladofiltro papeldepois papelantesm m m= - (4.25)

O particulado que fica retido na mangueira quantificado da seguinte forma: a

mangueira aps o experimento foi lavada com soluo isoproplica, depois essa

soluo foi passada para um recipiente limpo e posteriormente, filtrado e seco

temperatura ambiente. Aps esse processo, fez-se a pesagem, sendo o resultado

somado com a quantidade de particulado retida pelo filtro.

particuladototal particuladofiltro particuladomangueiram m m= + (4.26)

Neste trabalho, ser considerado como partcipe da massa de alcatro, o vapor

dgua que passou pelo filtro de papel, o qual no foi possvel determinar. Ento, a

quantidade de alcatro contida no gs a qual o texto abaixo se refere, diz respeito

massa de alcatro propriamente dita juntamente com vapor dgua. Pois, no filtro de

papel cria-se, ao longo do tempo, uma pelcula de alcatro, tornando-o impermevel,

ou seja, tanto alcatro quanto vapor dgua ficam retidos neste filtro, ento, entende-

se que a quantidade de vapor dgua passante desprezvel, uma vez que o volume

da soluo alcolica no aumenta significativamente.

Filtro de papel

Soluo de isopropanol Gs contendo alcatro

Gs isento de alcatro

48

A quantidade de alcatro contida no gs fica retida em soluo alcolica de

isopropanol, sendo distribuda em trs garrafas, cujas solues apresentam cores

diferentes, de amarelo escuro para um mais claro. Ao final do experimento, as

solues devem ser misturadas, e a partir da, retira-se uma alquota, a qual deve

ser pesada.

Em seguida, pesa-se uma amostra branca de isopropanol de igual volume a

que contm alcatro, ento pela diferena de densidade, determina-se a massa de

alcatro na soluo da amostra, e conseqentemente, na soluo total. E com isso,

determina-se a concentrao a partir do volume de gs que entra no equipamento.

alcatro soluoalcatro soluobrancam m m= - (4.27)

alcatro alcatro gsC m V= (4.28)

O volume do gs de sada do CIPA obtido atravs da leitura direta em seu

gasmetro, e com o clculo da massa especifica mdia do gs (equao 4.8)

determinada a massa do gs que saiu do equipamento. Em posse da massa de gs

que saiu do CIPA e a massa de alcatro (4.27), efetua-se a soma das massas, e

com isso determina-se a massa de gs que entrou no equipamento.

Uma vez determinada a massa de gs que entra no CIPA e a massa especfica

media do gs, pode-se identificar o volume de gs que entrou no equipamento, e

com isso, efetuar a medida de concentrao do alcatro. A partir das medidas da

concentrao do alcatro e particulado, pode-se avaliar sistematicamente o

desempenho do sistema de limpeza de gases do gaseificador, bem como, a

capacidade da zona de combusto do equipamento em craquear as cadeias de

alcatro.

49

5. RESULTADOS

Assim que o gaseificador foi instalado, foram realizados testes de

reconhecimento para entender seu funcionamento e seus possveis problemas,

alm de verificar as dimenses do equipamento. Aps isso, foram realizadas as

primeiras tentativas de funcionamento, sendo que, no foi operacionalmente

possvel trabalhar com altura total do corpo cilndrico do reator de 1,65 m, devido

aos constantes problemas com obstruo da garganta pelo carvo residual, dessa

forma, utilizou-se apenas a parte inferior do reator de 1,65 de altura. Verificou-se

que uma altura de 0,65 m foi suficiente para o leito de biomassa, no caso especfico

deste gaseificador experimental. Os parmetros definidores do comportamento da

biomassa e do prprio gaseificador foram determinados, seguindo a metodologia

experimental estabelecida do captulo anterior.

5.1. RESULTADOS OBTIDOS

Uma vez estabelecidas as caractersticas energticas da biomassa e as

condies do ar, pode-se determinar os parmetros operacionais do gaseificador,

tais como: vazo mssica de gs produzido e consumo de biomassa e oxidante,

bem como a capacidade energtica do gs produto. As condies do ar foram

comentadas no capitulo anterior, enquanto as caractersticas da biomassa so

mostradas na tabela 5.1, cujos resultados foram obtidos atravs de uma parceria da

Faculdade de Engenharia Mecnica da UFPA com a Universidade de Santa

Catarina atravs do seu laboratrio de anlises qumicas.

Tabela 5.1: Propriedades fsico-qumicas e energticas da biomassa.

Propriedade Biomassa Caroo de Aa Anlise Imediata

Cinzas [%, b.s.1] 0,87

Matria Voltil [%, b.s.] 71,95

Carbono fixo [%, b.s.] 27,18

Umidade [%, amostra bruta] 16,53

Anlise Elementar [%, b.s.]

C 47,00

50

H 6,58

N 1,07

S 0,85

O2 44,22

Cl 0,21

F3 < 0,20

P 0,067

Poder Calorfico [Kcal.kg-1,

PCS 4.018,0

PCI 3.786,1

Composio das Cinzas

Fe2O3 0,13

CaO 5,65

MgO 6,82

Na2O 1,18

K2O 30,15

SiO2 24,39

Al2O3 0,31

TiO2 0,04

P2O5 24,53

MnO 2,66

SO4 4,15 1 Base seca; 2 Valor obtido por diferena; 3 No determinado pelo mtodo, limite de deteco inferior igual a 0,2 ppm.

Fonte: Laboratrio de Anlises Qumicas UFSC

Conhecida as propriedades da biomassa, tal qual, necessria para

complementao e resoluo dos parmetros operacionais do gaseificador cujo

reflexo mostrado nas tabelas seguir. Vale ressaltar, que as medidas foram

realizadas a partir de dez minutos de funcionamento do equipamento, tempo

necessrio para entrada em regime permanente e que as incertezas nas medidas,

esto descritos no captulo 3 onde mostrada a preciso de cada equipamento.

A cada dez minutos, mediu-se a altura do leito que foi consumido, necessrio

para medio da vazo mssica da biomassa. Em todos os caroos, foram retiradas

as fibras perifricas para uma melhor fluidez do processo, de outra forma, quando

51

se utiliza os caroos com fibras este acabam ficando retidos nas paredes do reator,

pois formam um emaranhado bolo de caroos que acabam interferindo na medio.

Abaixo, a tabela 5.2 apresenta os valores da variao da depresso (P1)

exercida pelo gs na sada do reator e a variao da presso na placa de orifcio

(P2), bem como a temperatura nestes pontos. mostrada tambm, a velocidade

de sada do gs e a altura correspondente ao consumo de biomassa.

Tabela 5.2: Dados obtidos durante o experimento em funo do tempo.

As vazes mssicas de biomassa, ar, gs produzido e os valores calculados

de massa residual e velocidade superficial so mostrados na tabela 5.3. Observam-

se nessa tabela, dois valores para vazes volumtricas, sendo uma delas na

condio normal de presso e temperatura, e a outra na condio ambiente.

Tabela 5.3: Vazes e velocidades superficiais medidas e calculadas.

t

(min)

ventrada

(m/s)

P1

(mmca)

Tbota

(C)

P2

(mmca)

Tsaida

(C)

vsaida

(m/s)

hbio

(cm)

mbio

(kg)

10 2 10 109 12 36 1,7 3,92 0,98

20 2 10 132 12 36 1,7 3,92 0,98

30 2 10 133,6 12 36 1,7 4,25 1,06

40 1,7 8 132,1 10 36 1,5 4,17 1,04

50 1,7 8 126,8 10 36 1,5 4,12 1,03

60 1,6 8 121,9 8 36 1,4 3,92 0,98

70 1,6 8 119,4 8 36 1,4 3,9 0,97

80 1,4 4 105 6 35 1,25 3,76 0,94

90 1,4 4 103 6 35 1,25 3,77 0,94

100 1,1 2 89 4 34 0,9 3,24 0,81

.m bio

.m ar

.Q ar

.Q ar .

m gas .

Q gas

.Q gas .

m residual

Vs

(m/s)

52

Parmetros apresentados na tabela 5.4 como a razo de equivalncia, a taxa

especfica de processamento da biomassa, a massa molecular, poder calorfico e a

massa especifica do gs, constituram base para a determinao das eficincias de

converso de carbono e energia, e para a quantificao da potncia energtica do

gs. Esses parmetros so fontes primordiais para elucidao da funcionalidade e

desempenho do equipamento.

Tabela 5.4: Parmetros do experimento

Y

(kg/m2. h)

MWgs

(kg/kmol)

PCIgs

(MJ/Nm3)

gs

(kg/m3) energtica carbono

Pottrmica

(kWt)

Eq. 4.18 Eq. 4.14 Eq. 4.9 Eq. 4.13 Eq. 4.8 Eq. 4.11 Eq. 4.16 Eq. 4.15

1,78 327,39 29,50 3,22 1,19 0,60 0,72 15,57

1,78 327,39 29,43 3,22 1,18 0,60 0,72 15,61

1,93 354,96 29,60 2,99 1,19 0,51 0,78 14,48

2,23 348,27 29,58 3,05 1,19 0,47 0,71 13,10

(kg/h) (kg/h) (m3/h) (Nm3/h) (kg/h) (m3/h) (Nm3/h) (kg/h)

Eq.4.2 Eq.4.1 Eq.4.0 Eq.4.6 Eq.4.5 Eq.4.4 Eq.4.6 Eq.4.7 Eq.4.10

5,89 15,73 13,56 14,95 18,68 15,69 17,37 2,94 0,27

5,89 15,73 13,56 14,95 18,54 15,67 17,41 3,08 0,27

6,38 15,73 13,56 14,95 18,75 15,70 17,38 3,36 0,27

6,26 13,37 11,53 12,71 16,65 13,95 15,43 2,99 0,24

6,19 13,37 11,53 12,71 16,54 13,93 15,48 3,02 0,24

5,89 12,58 10,85 11,96 15,42 12,99 14,43 3,05 0,22

5,86 12,58 10,85 11,96 15,46 12,99 14,43 2,98 0,22

5,65 11,01 9,49 10,46 13,88 11,64 12,89 2,77 0,20

5,66 11,01 9,49 10,46 14,05 11,66 12,96 2,62 0,20

4,87 8,65 7,46 8,22 10,04 8,28 9,20 3,47 0,14

53

2,20 344,10 29,54 3,08 1,18 0,48 0,72 13,29

2,22 327,39 29,55 3,22 1,18 0,49 0,69 12,94

2,21 325,72 29,61 3,24 1,18 0,50 0,63 13,00

2,44 314,03 29,55 3,33 1,19 0,48 0,52 11,95

2,45 314,87 29,98 3,33 1,20 0,48 0,58 11,99

2,68 270,60 30,20 3,69 1,21 0,44 0,46 9,45

A tabela 5.5 abaixo refere-se aos dados adquiridos do coletor isocinetico

(CIPA), a qual mostra a massa de particulado residual ficante na mangueira, a

massa de particulado embebido de alcatro retido pelo filtro de papel e o alcatro

capturado pela soluo de isopropanol. Nesta tabela, tambm mostra o volume de

gs utilizado pelo equipamento para anlise, partir de leitura direta no leitor do

gasmetro, que entretanto, no o valor real do volume de gs que foi succionado

pelo equipamento, pois houve retirada de massa (alcatro e particulado) ao longo

deste.

O valor real do volume de gs imprescindvel no clculo das concentraes

do alcatro e de particulado, ento, mediante ao volume de gs na sada e a massa

especfica mdia do gs, visto na tabela 5.4, pde-se determinar a massa de gs na

sada do coletor. Somando-se as massas de gs de sada e do alcatro, obtm-se a

massa total de gs que entrou no equipamento, e, utilizando a massa especifica

mdia do gs (soma das massas especficas dividida pela quantidade das mesmas)

determina-se diretamente o volume deste gs.

Tabela 5.5: Dados obtidos do CIPA

Propriedade Valor

mparticuladomangueira (kg) 0,0001

mparticulado e alcatro (kg) 0,0015

Vsada (m3) 0,988

rgs (kg/m3) 1,19

54

mgsCIPAsada (kg) 1,1757

malcatro(kg) 0,0116

mgsCIPAentrada(kg) 1,1873

Ventrada(m3) 0,9977

Os perfis das fraes volumtricas dos gases so mostrados na tabela 5.6.

Mediram-se as fraes (com interrupo do aparelho) de CO2, CO, NO, SO2 e fez-

se a considerao de que hidrocarbonetos na forma de CxHy seria metano (CH4). As

fraes de H2 e H2O, no foram determinadas, devido s limitaes do equipamento

de medida, todavia, englobaram-se essas fraes no percentual de nitrognio, este,

obtido a partir da diferena entre o valor do volume total do gs do volume

percentual dos elementos medidos. Esta tabela tambm mostra a temperatura do

gs na sada do coletor isocintico (CIPA).

Tabela 5.6: Concentrao dos gases

t(min) T(C) Concentrao (%V)

CO2 CO CH4 NO NOX SO2 N2

10 29,1 9,39 16,83 1,26 0,0235 0,0234 0,415 72,0581

20 30,3 9,35 16,17 1,84 0,0241 0,0241 0,425 72,1668

30 29,1 10,53 18,54 2,28 0,0242 0,024 0,534 68,0678

40 29,1 10,62 18,38 2,5 0,0239 0,0239 0,511 67,9412

50 30,4 10,52 18,41 2,56 0,0237 0,0239 0,462 68,0004

60 30,3 10,54 18,38 2,38 0,0236 0,0234 0,425 68,2280

70 30,3 10,97 14,97 2,45 0,0234 0,0234 0,423 71,1402

80 29,1 10,93 11,97 2,45 0,021 0,021 0,27 74,3380

90 30,3 13,84 12,61 2,45 0,0194 0,0194 0,16 70,9012

100 30,3 15,23 10,7 2,45 0,124 0,124 0,1 71,2720

55

5.2. ANLISE DOS RESULTADOS

Para as condies anteriores, sero apresentados alguns grficos para as

seguintes anlises: a presso esttica em funo do tempo, as medidas de

temperatura no gaseificador, a velocidade superficial, o consumo de comburente e

combustvel, as concentraes no gs combustvel e a relao entre concentrao

dos gases e razo de equivalncia.

Veremos tambm, a anlise energtica e converso carbonfera, alm das

concentraes de alcatro e particulado presentes na mistura gasosa. Para maior

entendimento das anlises grficas adiante, a figura 5.1 mostra os pontos de

medida e coleta de dados:

Figura 5.1: Pontos referentes coleta de dados.

Onde:

V1 ponto de medida de velocidade do ar;

P1 ponto de medida da variao da depresso esttica;

T1 ponto de medida da temperatura do gs que sai do reator;

56

P2 ponto de medida da variao da presso esttica na placa de orifcio;

T2 ponto de medida da temperatura do gs que sai pelo flare;

Particulado mangueira quantificao de particulado na mangueira do coletor;

Particulado e alcatro Filtro quantificao de particulado no filtro do coletor;

Alcatro-isopropanol quantificao do alcatro retido pela soluo alcolica;

%CO, %CO2, %CxHy, %SOx e %NOx fraes volumtricas gasosa quantificadas pelos

analisadores de gs;

T3 temperatura do gs analisado.

5.2.1. Presso

A figura 5.2 abaixo mostra o comportamento da presso manomtrica

referente ao ponto P1 (figura 5.1), que indica a depresso esttica na sada do

reator.

y = -0,0985x2 + 0,2106x + 9,8333R2 = 0,9233

0

2

4

6

8

10

12

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tempo(min)

P1 Polinmio (P1)

P

(mm

,H2O

)

Figura 5.2: Depresso esttica na sada do gaseificador.

Na figura 5.2, pode-se observar que a depresso esttica diminui ao longo do

tempo, ocasionado por excesso do caroo de aa j carbonizado, juntamente com

carvo no convertido totalmente que foi utilizado na partida do processo, esses

fatores provocaram a obstruo da garganta do reator. Notamos que em

aproximadamente 100 minutos, ocorre obstruo quase que total da garganta, o que

57

remete na parada da operao para retirada do excesso de carvo, para somente

ento reiniciar o processo.

A figura 5.3 abaixo mostra a diminuio da quantidade de biomassa

consumida em decorrncia da variao da presso, evidenciando a necessidade de

se obter uma soluo para o problema da obstruo na garganta do reator. Nota-se

que P1 diminui em 8 mmca que impacta no consumo mdio de biomassa, onde

deixa-se de consumir aproximadamente 6,4 kg/h de caroo para consumir somente

4,9 kg/h.

y = -0,0283x2 + 0,4723x + 4,1313R2 = 0,797

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

1234567891011

P (mm,H2O)C

onsu

mo

de b

iom

assa

(kg/

h)

)

P1 Polinmio (P1)

Figura 5.3: Presso gasosa x consumo de biomassa

A estratgia para manter o consumo elevado, de forma a conservar a melhor

faixa de produo gasosa, seria evitar a diminuio da depresso esttica. Ajustes

no sistema de exausto dos gases e na garganta do gaseificador possibilitariam a

elevao da depresso esttica, o que refletiria possivelmente em maior consumo

de biomassa e converso a gs combustvel.

5.2.2. Temperatura

As temperaturas T1, T2 e T3 na figura 5.4, representam respectivamente a

temperatura do gs logo aps o reator, a temperatura na sada do gs aps o

58

sistema de limpeza do gaseificador e a temperatura medida pelos analisadores de

gs (conforme figura 5.1).

y = -0,0125x2 + 1,0297x + 108,66R2 = 0,8842

y = -0,0182x + 36,6R2 = 0,6198

y = 0,0087x + 29,353R2 = 0,174

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Tempo(min)

Tem

pera

tura

(C)

(

T1 T2 T3 Polinmio (T1) Linear (T2) Linear (T3)

Figura 5.4: Temperatura medida no gaseificador

A temperatura na sada do reator (T1) de 130 C um valor considerado baixo,

tendo em vista sua proximidade da zona de reao e que no passou por nenhum

sistema de resfriamento, comparando-se com ensaios utilizando como biomassa

jatob, que atingiu temperaturas prximas a 400 C.

Devido a disposio dos briquetes de jatob, a distribuio do oxignio que

entrava na zona de combusto era mais homognea, propiciando temperaturas

mais elevadas, ao contrrio do caroo de aa, que fica aglomerado e cria bloqueios

impedindo a elevao da temperatura nesse ponto. Pela quantidade de alcatro

produzido no experimento com caroo de aa, estima-se que a temperatura no

reator esteja na faixa que propicie a pirlise (500-700), este fato comentado no

final deste captulo (tpico 5.2.9).

A temperatura na sada do flare (T2), mostra que o sistema de resfriamento de

gs permitiu uma reduo na temperatura de 120C para aproximadamente 30C. A

medio da temperatura do gs nos analisadores (T3), tinha como meta o clculo

da massa especifica do gs.

59

5.2.3. Vazo

A figura 5.5 uma relao entre o consumo de reagentes (ar e biomassa) e

formao de seus produtos (gs e resduos) obtidos durante todo o experimento,

onde consumiu-se aproximadamente 10 kg de biomassa e 21 Nm3 de ar, o que

produziu 25 Nm3 de gs e 5 kg de resduos.

0

5

10

15

20

25

30

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

2

4

6

8

10

Ar Gs Resduo biomassa

Vazo m

ssica (kg/h)Vaz

o v

olum

tri

ca (N

m3/

h)

tempo (min)

Figura 5.5: Relao reagentes/produtos medida no gaseificador

Em termos de vazo, o gaseificador consome aproximadamente 6 kg/h de

biomassa e 14 Nm3/h de ar, produzindo 16,5 Nm3/h de gs e 3 kg/h de resduos na

forma de alcatro, particulado e carvo no reagido. Observa-se que a quantidade

de resduos produzida ainda muito alta, cerca de 50% em relao quantidade de

biomassa utilizada. Sendo que 23% correspondem a carvo e o restante (27%) a

alcatro e particulado.

5.2.4. Velocidade superficial

A figura 5.6 mostra o perfil da velocidade superficial em relao ao tempo de

operao do gaseificador. Note que nos primeiros 20 minutos de operao, a

velocidade superficial de aproximadamente 0,25 m/s, o que corresponde a 16,5

Nm3/h de gs para uma rea de seco transversal do reator de 0,018 m2, este o

melhor resultado utilizando caroo de aa neste gaseificador.

60

y = -1E-05x2 + 2E-05x + 0,2695R2 = 0,9241

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Tempo (min)

Vel

ocid

ade

supe

rfici

al(m

/s)

9

Figura 5.6: Perfil da velocidade superficial

A velocidade de 0,25 m/s est dentro da faixa estudada por Reed (2002), no

entanto, ele denomina de baixa velocidade superficial, quando a produo de

carvo esta compreendida entre 20 e 30% da massa de combustvel utilizado no

processo. Neste experimento, a taxa de produo de carvo no gaseificador foi de

aproximadamente 23% do consumo da biomassa.

Segundo Reed, quando a velocidade superficial baixa, isso quer dizer que

possui altas quantidades de carvo gerado e grande quantidade de alcatro no

craqueado, o que aumenta a quantidade de alcatro tercirio, alm do contedo

elevado de hidrocarbonetos. Buscar a reduo da quantidade de carvo no sistema

atravs de um ajuste no gaseificador, principalmente na rea da garganta uma

alternativa para se conseguir melhores resultados.

5.2.5. Concentrao

Na figura 5.7, so mostradas as concentraes dos componentes gasosos

medidos durante o experimento. Recordando que os valores percentuais desses

componentes so expressos em volume, e que a frao de H2 no fora medida

devido restrio do equipamento, bem como, a considerao de que todos os

valores de hidrocarbonetos (CxHy) fossem metano (CH4).

61

02468

101214161820

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tempo(min)

CO2 CO CxHy NOX SO2 NO

Con

cent

ra

o (%

)

Figura 5.7: Concentrao dos gases medida no gaseificador

As concentraes no perodo mais estvel apresentam aproximadamente

picos de 18% para CO, 11% para CO2, 2,5% para CH4, 0,025% para NO2 e 0,45%

para SO2. Observa-se que os valores de CO superam a capacidade de medio do

equipamento, denotando uma importante condio de que este gs combustvel

pode estar com percentuais acima do descrito anteriormente.

Nota-se que as concentraes dos gases permanecem constantes ao longo de

aproximadamente uma hora, e que aps isto, ocorre um decrscimo da

concentrao de CO e um aumento na concentrao de CO2. Este aumento da

concentrao de CO2 indica processo de combusto, ou seja, com a diminuio da

depresso ocasionada pela obstruo na garganta do gaseificador a admisso de ar

pelo injetor do gaseificador suprimida, ocorrendo apenas a passagem de ar por

difuso. No entanto, a concentrao de metano no alterada, mantendo-se

constante, o que ratifica a questo sobre hidrocarbonetos levantada nos

comentrios da velocidade superficial.

5.2.6. Razo de equivalncia

De acordo com Re

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