Estado_da_Arte_Gaseificação

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COMPARAÇÃO ENTRE TECNOLOGIAS DE GASEIFICAÇÃO DE

BIOMASSA EXISTENTES NO BRASIL E NO EXTERIOR E FORMAÇÃO DE

RECURSOS HUMANOS NA REGIÃO NORTE. CONVÊNIO FINEP / CETERNERG 23.01.0695.00

Estado da Arte da Gaseificação

Setembro de 2002




COMPARAÇÃO ENTRE TECNOLOGIAS DE GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA

EXISTENTES NO BRASIL E NO EXTERIOR E FORMAÇÃO DE RECURSOS HUMANOS

NA REGIÃO NORTE. CONVENIO FINEP / CETENERG 23.01.0695.00

Estado da Arte da Gaseificação

Sumário

Este trabalho ‘Estado da Arte da Gaseificação’ faz parte do convênio FINEP / CETENERG

“Comparação Entre Tecnologias de Gaseificação de Biomassa Existentes no Brasil e no Exterior e

Formação de Recursos Humanos na Região Norte”. Neste projeto o objetivo central é atender a

crescente necessidade em suprir a demanda por energia elétrica em comunidades isoladas na região

norte do país de maneira sustentável oferecendo uma alternativa aos combustíveis fósseis, utilizando

gaseificadores de biomassa e motores de combustão interna. O projeto visa também a capacitação de

pessoal na operação e manutenção desse tipo de tecnologia, transferindo os conhecimentos adquiridos

para o aperfeiçoamento dos equipamentos nacionais em função dos testes realizados.

Os resultados esperados pelo projeto consistem em promover uma redução significativa no

consumo de óleo diesel para geração de energia elétrica nas comunidades isoladas da região

amazônica, adaptar as tecnologias de gaseificação de biomassa para a região amazônica, capacitar

recursos humanos nas áreas de operação, manutenção e construção de gaseificadores de biomassa e o

desenvolvimento tecnológico que permitirá a expansão desse tipo de tecnologia para toda a região.

Neste trabalho são descritas as várias tecnologias disponíveis para gaseificação de biomassa no

Brasil e no mundo. A partir desta pesquisa foi possível identificar as alternativas tecnológicas que

melhor se adaptam as necessidades deste projeto.

Como exemplo de projetos de gaseificação descritos no trabalho podemos citar a TPS Termiska

Processer AB e o projeto Värnamo, gaseificadores de grande porte. A Thermogenics e a The Biomass




Energy Foundation, gaseificadores de pequeno porte, entre tantos outros. Contemplamos

também organizações de pesquisa de gaseificação no Brasil como o IPT – Instituto de Pesquisas

Tecnológicas e a UNICAMP – Universidade de Campinas, entre outros, e no mundo como o IISc -

Indian Institute of Science, a BTG – Biomass Technology Group e o NREL – National Renewable

Energy Laboratory, etc. Consideramos também os aspectos ambientais e sócio-econômicos envolvidos

neste tema.




ÍNDICE

1. Introdução

2. Reações de Gaseificação

3. Principais Tipos de Gaseificadores na Atualidade

4. Gaseificadores de Leito Fixo

4.1 Gaseificador Contracorrente

4.2 Gaseificador Co-corrente

5. Gaseificador de Leito Fluidizado ou de Leito Circulante

6. Gaseificadores de Grande Porte

6.1 Hawai Biomass Gasification Project

6.2 Värnamo Planta Gaseificador Integrado – Ciclo Combinado (Bioflow, Sydkraft, Foster

Wheeler)

6.3 Vermont Biomass Gasification Project

6.4 TPS Termiska Processer AB (Studsvik Energiteknik AB, ARBRE)

7. Gaseificadores de Pequeno Porte

7.1 AEW, Associated Engineering Works

7.2 Ankur Scientific Energy Technologies

7.3 The Biomass Energy Foundtion

7.4 The Buck Rogers Gasifier

7.5 Camp Lejeune Energy from Wood (CLEW)

7.6 Chiptec Wood Energy Systems

7.7 Cratech

7.8 Fluidyne

7.9 HTV Energy

7.10 Hurst Boiler & Welding Inc

7.11 Martezo Energia Renovável

7.12 Shawton Engineering

7.13 System Johansson Gas Producers




7.14 Thermogenics

8. Organizações de Pesquisa de Gaseificadores

8.1 The Biomass Energy Foundation

8.2 BTG ( The Technology Group)

8.3 CAAMS ( The Chinese Academy of Agricultura Mechanization Sciendes)

8.4 Danishy Techinical University

8.5 DKTechinik

8.6 Indian Institute of Science, Bangalore

8.7 Indian Institute of Technology, Bombay

8.8 KTH ( Kungl Tekniska Hogskolan, the Royal Institute of Technology)

8.9 National Renewable Energy Laboratory (NREL, anteriormente SERI)

8.10 Ministério da Agricultura da República Popular da China

8.11 Shandong Energy Research Institute (Projetos de Gaseificação em Vilas)

8.12 Sherebrooke, University of & Kemestrie Inc

8.13 Tata Energy Reseach Institute

8.14 VTT Gasification R & D Center

8.15 University of Wales

8.16 Zaragoza University

9. Organizações de Pesquisa de Gaseificação no Brasil

9.1 UNICAMP – Universidade de Campinas

9.2 IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas

9.3 UFPA - Universidade Federal do Pará

9.4 EFEI – Universidade Federal de Itajubá

10. Efeitos da Utilização de Biomassa sobre o Meio-Ambiente e os Aspectos Sócio-Econômicos

11. Bibliografia




Lista de Figuras

Figura 1. Gaseificador Contracorrente Atmosférico Existente no IPT (1 MWth)...........................10

Figura 2. Gaseificador Contracorrente Pressurizado da Lurgi........................................................11

Figura 3. Diagrama do Gaseificador do Tipo Imbert......................................................................14

Figura 4. Desenho Esquemático de um gaseificador do Tipo Imbert..............................................14

Figura 5. Representação das Regiões Ocupadas pelos Jatos de Ar Injetados na Zona de Combustão

de um Gaseificador do Tipo Imbert...............................................................................................15

Figura 6. Esquemas de Sistemas de Geração de Gás Empregados para o Acionamento de Veículos

Durante a Segunda Guerra Mundial..............................................................................................16

Figura 7. Fotos de Veículos Adaptados para Operar com Gasogênio.............................................17

Figura 8. Esquema do Corpo do Gaseificador de Topo Aberto do IIS...........................................20

Figura 9. Esquema do Sistema de Limpeza de Gases para Aplicação em Motores do IIS...............21

Figura 10. Evolução da Pressão na Base de um Leito de Material Particulado com o Aumento da

Vazão do Ar.................................................................................................................................23

Figura 11. Esquema das instalações do Projeto Hawai Biomass

Gasification..................................29

Figura 12. Layout da Planta de Värnamo.......................................................................................31

Figura 13. Arranjo da Planta de Värnamo......................................................................................31

Figura 14. Fotos das Instalações de Värnamo................................................................................32

Figura 15. Esquema da Planta de Vermont....................................................................................34

Figura 16. Esquema da Planta Piloto do Gaseificador Atmosférico da Studisvik............................37

Figura 17. Atividades Atuais da TPS.............................................................................................43

Figura 18. Diagrama de Fluxo da Camp Lejeune Energy...............................................................47

Figura 19. Diagrama de Blocos do Processo Cratech.....................................................................51

Figura 20. Diagrama Esquemático da Planta de Gaseificação da HTV...........................................52

Figura 21. Arranjo Geral do Gaseificador da SJG para Aplicações no Motor.................................55

Figura 22. Gaseificador de Leito Fluidizado da Universidade de Sherbrooke.................................79

Figura 23. Reator de Leito Fluidizado Instalado na FEM da Unicamp...........................................95




Figura 24. Gaseificador de Leito Fluidizado Instalado no

IPT......................................................101

Figura 25. Gaseificador de Leito Movente Instalado no IPT........................................................103

Figura 26. Fluxograma do Projeto WPB – SIGAME...................................................................111

Lista de Tabelas

Tabela 1. Composição Típica de Gás Gerado no Gaseificador do IIS (% Vol. b.s.)........................21

Tabela 2. Dados de Processo e os Principais Fornecedores para a Planta de Värnamo de

Gaseificador Integrado – Ciclo Combinado...................................................................................33

Tabela 3. Dados do Processo da TPS de Gaseificadores de Leito Fluidizado Circulante / Sistema de

Fragmentação de Leito Fluidizado Circulante................................................................................39

Tabela 4. Sumário das Características do Gás................................................................................40

Tabela 5. Análise de Exaustão.......................................................................................................41

Tabela 6. Valores Típicos de Operação do Buck Roger Gasifier...................................................46

Tabela 7. Gaseificador Produzido pela Chiptec..............................................................................49

Tabela 8. Clientes da System Johansson........................................................................................56

Tabela 9. Densidade de Combustíveis Selecionados de Biomassa..................................................73

Tabela 10. Propriedades do Gaseificador de Palha XFF.................................................................74

Tabela 11. LHV de Vários Combustíveis e Temperaturas da Chama..............................................75

Tabela 12. Dados Existentes do Processo de Gaseificação da Madeira..........................................81

Tabela 13. Dados dos Processos Existentes da Gaseificação Livre do Vidro e do Metal MSW......81

Tabela 14. Composição das Biomassas..........................................................................................83

Tabela 15. Sumário das Características Reais do Gás....................................................................84

Tabela 16. Balanços de Massa e de Energia sobre Gaseificação.....................................................86

Tabela 17. Resultados Obtidos Através da Gaseificação da Casca de Arroz e Serragem................97

Tabela 18. Orçamento do Projeto em US$ Milhões com Relação a Cada Fase.............................112




Estado da Arte da Gaseificação 1. Introdução

A gaseificação de combustíveis sólidos é um processo bastante antigo e é realizada com o

objetivo de produzir um combustível gasoso com melhores características de transporte, melhor

eficiência de combustão e também que possa ser utilizado como matéria-prima para outros processos.

Nos processos de gaseificação a matéria orgânica é total ou parcialmente transformada em

gases cujos principais componentes são: monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio e,

dependendo das condições, metano, hidrocarbonetos leves, nitrogênio e vapor de água em diferentes

proporções.

A composição dos gases e a produção concomitante de combustíveis sólidos (carvão) e

líquidos condensáveis (pirolenhosos) dependem dos seguintes fatores: tipo de forno de gaseificação,

forma de fornecimento de energia ao processo, introdução ou não de vapor de água junto com o

comburente (ar, O2), tempo de retenção da carga, sistema de retirada de gases e outros produtos, da

matéria orgânica utilizada.

Os gases produzidos podem ser usados em diversas aplicações, tais como:

• Combustíveis em fornos de cal, fornos cerâmicos, motores a diesel e a gasolina, turbinas a gás,

geradores de vapor, etc.

• Como redutor direto em fornos siderúrgicos

• Como matéria-prima para produção de gás de síntese para metanol, amônia, etc.

O presente trabalho propõe-se a desenvolver um estudo sobre gaseificação que seja de fácil

compreensão e agradável leitura, que contemple as diferentes tecnologias de gaseificação de biomassa,

as principais experiências de gaseificação no Brasil e no mundo, bem como os efeitos da utilização de

biomassa sobre o meio ambiente e os aspectos sócio-econômicos.




2. Reações de Gaseificação

O processo de gaseificação da biomassa resulta de complexas reações, ainda não bem

conhecidas em sua totalidade. Porém, de forma introdutória e em termos teóricos, pode ser subdividido

em várias etapas:

1. Etapa de pirólise ou decomposição térmica, que se desenvolve a temperaturas próximas de

600ºC.

2. Oxidação de parte do carbono fixo do combustível, método que constitui a fonte de energia

térmica para o processo de volatilização e gaseificação.

3. Gaseificação propriamente dita, que inclui reações heterogêneas entre os gases e o coque

residual, assim como reações homogêneas entre os produtos já formados.

4. Craqueamento do alcatrão – processo de destruição térmica das moléculas dos compostos que

formam o alcatrão com a obtenção de CO, CO2, CH4 e outros gases como produtos.

5. Oxidação parcial dos produtos da pirólise.

Dependendo da organização do processo de gaseificação (movimento relativo da biomassa e

do gás de gaseificação), estas etapas transcorrem em diferentes regiões do gaseificador, ou em todo seu

volume de maneira simultânea. A seguir apresentam-se as reações químicas mais importantes de cada

uma destas etapas:

I. Pirólise

Biomassa + Calor Coque + Gases + Alcatrão + Condensáveis (1)

II. Oxidação do Carbono

C + ½ O2 = CO (2)

C + O2 = CO2 (3)




III. Gaseificação

- Reações Heterogêneas C + CO2 = 2 CO (Reação de Bouduard) (4)

C + H2O = CO + H2 (Reação de gás de água ou reação carbono vapor) (5)

C + 2 H2 = CH4 (Reação de formação de metano) (6)

- Reações Homogêneas

CO + H2O = CO2 + H2 (Reação de “deslocamento” da água) (7)

CH4 + H2O = CO + 3 H2 (8)

IV. Craqueamento do Alcatrão

Alcatrão + Vapor + Calor = CO + CO2 + CH2 (9)

V. Oxidação Parcial dos Produtos da Pirólise

(CO + H2 + CH4) + O2 = CO2 + H2 (10)

As dez equações apresentadas estão longe de refletir a complexidade dos processos que

ocorrem durante a gaseificação da biomassa. Contudo, com base nelas é possível tirar conclusões

importantes:

- A adição de vapor de água ao ar de gaseificação, na prática até aproximadamente uns 30%,

aumenta o conteúdo de hidrogênio e de monóxido de carbono no gás obtido, como mostram as

equações 5,7 e 8.

- O aumento da pressão favorece a formação de metano, segundo a equação 6, por causa da

diminuição do número de moles ao se passar dos reagentes aos produtos.

Em algumas situações especiais pode-se gaseificar um combustível sólido utilizando oxigênio

puro ao ar enriquecido com este gás, reduzindo assim as perdas de energia associadas à presença de

gases inertes, como é o nitrogênio, que constitui quase 80% em volume do ar atmosférico. O gás




produzido neste caso apresenta um poder calorífico mais elevado, porém o alto custo de

produção de oxigênio é uma importante limitação econômica desta alternativa.

3. Principais Tipos de Gaseificadores na Atualidade

Foram idealizados e desenvolvidos, até hoje, diversos tipos de gaseificadores, afim de atender

as peculiaridades das características da matéria prima e as necessidades de gás.

A grande maioria dos gaseificadores em comercialização ou em fase de desenvolvimento

atualmente pode ser enquadrada segundo o tipo de leito utilizado, em uma das duas concepções de

gaseificadores apresentadas a seguir.

• Gaseificador de leito fixo; • Gaseificador de leito fluidizado ou leito circulante.

4. Gaseificadores de Leito Fixo

Estes gaseificadores representam a maioria dos gaseificadores em operação ou construção no

mundo. Segundo MANIATIS (2001), 77,5 % dos projetos de gaseificadores são do tipo de leito fixo,

20 % são do tipo fluidizado ou circulante e 2,5 % de outros tipos. Esses tipos de gaseificadores são

mais indicados para gaseificadores de pequeno porte.

Dentre os gaseificadores de leito fixo, pode-se destacar dois grandes subgrupos: os de

circulação de gases co-corrente (“downdraft”) e contracorrente (“updraft”). Apesar da diferenciação

entre os gaseificadores co-corrente e contracorrente parecer trivial, na realidade são processos muito

diferenciados.

4.1 Gaseificador Contracorrente

O gaseificador contracorrente (com queima de carvão) é o de projeto mais antigo e simples e

ainda é largamente utilizado para a gaseificação de carvão mineral e, em menor escala, para

gaseificação de biomassa. No Brasil, algumas empresas de produção de CaO (cal) ainda empregam




este tipo de gaseificador, gaseificando toras de madeira, para gerar gás combustível

alimentado aos fornos de calcinação.

Contracorrente se refere ao fato do combustível ser alimentado pelo topo (através de uma

válvula rotativa ou porta de alimentação) e desce em contracorrente ao ar ou oxigênio (também

misturado com vapor d’água ou CO2), introduzido pela grelha, localizada na base do gaseificador,

como mostrado esquematicamente na Figura 1. Nesta figura também são apresentadas as regiões

normalmente encontradas ao longo da altura do leito de um gaseificador contracorrente típico, bem

como o perfil de temperatura e composição dos gases.

As primeiras camadas de carvão vegetal ou coque apoiadas sobre a grelha entram em

combustão intensa, produzindo CO2 e H2O a temperaturas elevadas, que posteriormente são reduzidas

a CO e H2 conforme eles passam pela camada descendente de coque ou carvão, resfriando a

temperaturas da ordem de 750oC. Abaixo desta temperatura as taxas de reações de gaseificação caem

significativamente, praticamente cessando. Os gases, porém, ao subirem, continuam trocando calor

com a corrente de sólidos, promovendo a sua pirólise, com liberação e incorporação à corrente gasosa

da matéria volátil do combustível, e, em seqüência, aquecimento e secagem. Os gases, já frios e com a

incorporação da matéria volátil e umidade do combustível alimentado, saem pelo topo do gaseificador.

As cinzas do combustível, ainda com uma certa fração de carbono do combustível não convertido a

gás, saem pela base do gaseificador.

Exemplos de gaseificadores do tipo contracorrente são apresentados a seguir. O gaseificador do

IPT – Instituto de Pesquisa e Tecnologia opera à pressão atmosférica, dispondo de um selo d’água na

sua base por onde a cinza e material carbonoso não convertido é removido. No interior da bacia de

descarga existe uma grelha cônica, à semelhança da grelha do gaseificador da Lurgi (Figura 2), e que é

excêntrica, de tal forma a provocar o revolvimento do material no interior do leito quando a bacia é

rotacionada. Este revolvimento é muito importante para garantir um escoamento uniforme de gases e

combustível sólido no interior do leito, principalmente para materiais que apresentem tendência à

formação de domos ou de aglomeração de particulados.




Figura 1. Gaseificador Contracorrente Atmosférico Existente no IPT (1 MWth) Fonte: USHIMA (1996)

.

Biomassa

Ar ou oxigênio + vapor

Gás

Cinza




Figura 2. Gaseificador Contracorrente Pressurizado da Lurgi.

O gaseificador Lurgi foi muito empregado na gaseificação de carvão mineral para geração de

gás de síntese. Note-se a presença de um dispositivo de distribuição de carvão por sobre o leito, para

evitar a formação de canais preferenciais, e sistemas de alimentação e descarga de sólidos estanques,

devido à pressurização do gaseificador (2,5-3,0 MPa). Por ser pressurizado, apresenta uma capacidade

5 vezes maior que um equivalente atmosférico, mas uma complexidade mecânica e operacional

significativamente maiores, não sendo competitivo para pequenas capacidades (<35 MWth). No

principio, os gaseificadores pressurizados foram largamente utilizados por fornecer um melhor balanço

de energia, além do que, com o uso do gaseificador pressurizado não havia a necessidade de




compressão do gás antes da entrada na câmara de combustão. Mas o uso deste tipo de

gaseificador trouxe outros tipos de problemas como o de alimentação do gaseificador.

As principais vantagens dos gaseificadores contracorrentes são:

• Simplicidade operacional e habilidade de gaseificar materiais com elevado teor de água e material

inorgânico, como lodo residual do tratamento de esgoto;

• Potencial de operar com temperaturas muito elevadas na região da grelha (a menos que vapor

d’água seja injetado na grelha) capaz de fundir metais e escória (gaseificação com cinza fundida);

As principais desvantagens são:

• O gás gerado normalmente contem de 10 a 20 % do alcatrão gerado na pirólise do combustível,

com uma concentração da ordem de 100 g/Nm3. Estes alcatrões, no entanto, queimam bem em

processos de combustão direta.

• No caso de aplicações em motores de combustão interna, turbinas ou para geração de gás de

síntese, o alcatrão deverá ser removido;

• A grelha pode ser submetida a temperaturas muito elevadas, a não ser que vapor d’água ou CO2

seja injetado com o ar ou oxigênio;

• A granulometria do combustível alimentado tem de ser uniforme para evitar perda de carga

elevada no leito (no caso do gaseificador atmosférico) ou formação de canais preferenciais;

4.2. Gaseificador Co-corrente

O gaseificador co-corrente (queima de alcatrão) se assemelha construtivamente ao gaseificador

contracorrente, exceto que o ar e o gás fluem para baixo, na mesma direção que o combustível.

Esta mudança de sentido faz toda a diferença para um combustível com teor elevado de matéria

volátil como a biomassa. Neste tipo de gaseificador, o ar injetado no gaseificador, pode queimar até

99,9 % do alcatrão liberado pelo combustível (daí a denominação queima de alcatrão).




Como o ar introduzido no gaseificador, encontra primeiro a biomassa não queimada,

a temperatura máxima ocorre na fase gasosa (não mais na fase sólida), na região de pirólise flamejante.

O material sólido localizado logo acima desta região sofre um preaquecimento e secagem,

principalmente por troca de calor por radiação com a região de pirólise flamejante. Materiais com

umidade elevada (acima de 20 %) apresentam dificuldades de aquecimento e secagem, devido à

evaporação da água contida no interior das partículas, que retarda ou até impede a formação da região

de pirólise flamejante, levando à formação de gases com alto teor de alcatrão.

Conforme a biomassa atinge uma determinada temperatura (acima de 200 oC) ela começa a

liberar voláteis combustíveis que, ao entrar em ignição com o ar descendente, forma uma chama em

volta das partículas, que passam a queimar mais intensamente, devido às trocas de calor com a própria

chama, até o esgotamento de toda a matéria volátil, restando de 5 a 15 % de carvão vegetal.

Os gases ricos e aquecidos desta região reagem com o carvão vegetal a 800-1200 OC, gerando

mais CO e H2. Como as principais reações que ocorrem nesta região são endotérmicas, a temperatura

do gás cai abaixo de 800 oC, abaixo do qual as reações de gaseificação praticamente ficam congeladas.

Uma cinza com algum carbono ainda não reagido (4 a 8 % da massa alimentada), passa através

da grelha para disposição.

Desenhos esquemáticos de alguns tipos de gaseificadores operando segundo o princípio co-

corrente são apresentados a seguir.

Os gaseificadores co-correntes do tipo Imbert, apresentado nas Figuras 3 e 4, apresentam uma

região de estrangulamento onde também ocorre a injeção de ar, através de bocais localizados nas

paredes.




Figura 3. Diagrama do Gaseificador do Tipo Imbert Fonte: REED et all (1994)

Figura 4. Desenho esquemático de um gaseificador do tipo Imbert Fonte: REED et all (1994)




Esta região de estrangulamento tem a função de forçar a passagem dos voláteis liberados na

região de destilação pela região de combustão (“hearth zone”) para a sua destruição. No entanto, entre

os bocais de injeção de ar e no centro da região de combustão, como mostrado na Figura 5, formam-se

regiões sem acesso de ar, consequentemente com temperaturas mais baixas, por onde os alcatrões

podem passar praticamente sem sofrer decomposição. Na zona de redução, mais abaixo, este alcatrão

pode ser apenas parcialmente craqueado porque as temperaturas reinantes nesta zona, da ordem de

650oC, não são suficientes para uma decomposição total.

Regiões nãoocupadas pelos

jatos de ar

Figura 5. Representação das Regiões Ocupadas pelos Jatos de Ar Injetados na Zona de

Combustão de um Gaseificador do Tipo Imbert

Fonte: KAUPP




Este tipo de gaseificador foi largamente empregado na Segunda Guerra Mundial,

principalmente na Europa, devido ao embargo de derivados de petróleo para o esforço da guerra.

Milhares de unidades deste tipo de gaseificador foram construídas, como as mostradas

esquematicamente na Figura 6, que apresenta dois conjuntos integrados, constituídos de uma unidade

de gaseificação, um sistema de resfriamento e limpeza de gases e um motor. O primeiro conjunto era

utilizado para operar com carvão vegetal e o segundo com madeira. Em ambos os casos, o gás gerado,

após passar por um ciclone para coleta de material particulado, passava por um sistema de

resfriamento e filtragem para provocar a condensação da umidade presente nos gases e coleta de

alcatrões eventualmente presentes.

Figura 6. Esquemas de Sistemas de Geração de Gás Empregados para o Acionamento de

Veículos Durante a Segunda Guerra Mundial Fonte: Generator Gás

Conjunto integrado com gaseificador para operar com carvão vegetal.

Conjunto integrado com gaseificador para operar com madeira.




A título de ilustração, na Figura 7 são apresentadas fotos de veículos adaptados para

operar com gasogêneos. Alguns eram instalados em “trailers” e outros anexados à carroceria do

veículo.

Figura 7. Fotos de Veículos Adaptados para Operar com Gasogêneos

Fonte: Generator Gas

Com o fim da Segunda Guerra e a consolidação do petróleo e gás natural como fontes

energéticas, toda esta tecnologia foi abandonada.

Mais recentemente, com a crise do petróleo ocorrida na década de 70 e 80 (mais política que de

disponibilidade), vê-se ressurgir o interesse em recuperar e aperfeiçoar algumas das tecnologia de

gaseificação desenvolvidas até a Segunda Guerra. No SERI (Solar Energy Research Institute

atualmente National Energy Laboratory, NREL), em 1982, REED e GRABOSKI desenvolveram um

protótipo de um gaseificador co-corrente, que eles denominaram de gaseificador co-corrente




estratificado, com capacidade de 1 ton./dia. O princípio de operação deste gaseificador é

mais simples que o do gaseificador Imbert. Neste modelo, o ar ou oxigênio é alimentado pelo topo do

leito, deixando de existir uma região de estrangulamento, característico dos gaseificadores do tipo

Imbert. Esta unidade operou com ar e oxigênio, gerando um gás com baixo teor de alcatrão (1000 e

2000 ppm, respectivamente) e elevado poder calorífico (5.000-6.000 kJ/m3 e 10.000-12.000 kJ/m3,

respectivamente).

Variantes dos Gaseificadores Co-corrente

Variantes da unidade de gaseificação co-corrente estratificado têm sido construídos e testados

desde então, sendo que o modelo desenvolvido por MUKUNDA et al, do Instituto de Ciência Indiano,

IIS, vem apresentando bons resultados em testes de avaliação em laboratórios e em campo, na Índia,

razão pela qual duas unidades estão sendo trazidas ao Brasil para testes de avaliação de desempenho

com biomassas locais.

Estes gaseificadores trabalham em depressão e são abertos à atmosfera no topo, por onde entra

cerca de 2/3 do ar de gaseificação, razão pela qual também são conhecidos como gaseificadores de

topo aberto. Esquema deste gaseificador é apresentado na Figura 8. Nos modelos preliminares o corpo

do gaseificador era totalmente metálico, porém, devido ao desgaste acentuado de partes do

equipamento, principalmente as localizadas em regiões com temperatura elevada, correspondentes às

regiões de pirólise flamejante e de redução, os períodos de operação sem manutenção eram curtos

(cerca de 1000 h). Para aumentar a resistência do equipamento, as partes do gaseificador onde as

temperaturas são mais elevadas, foram construídas de material refratário, como indicado na Figura 8.

Neste gaseificador cerca de 1/3 do ar restante é injetado numa região localizada pouco acima

da grelha, através de bocais distribuídos uniformemente ao longo de uma seção do corpo do

gaseificador, servindo para completar a queima ou craqueamento térmico de alcatrões eventualmente

não reagidos na região de pirólise flamejante.

Os gases passam através das cinzas apoiadas sobre a grelha, o que também auxilia na

decomposição do alcatrão ainda remanescente, passam por um ciclone para coleta de material

particulado arrastado, e preaquecem a carga de combustível e ar alimentados pelo topo do

gaseificador, através da parede metálica do corpo do gaseificador localizada nesta região. O




gaseificador opera em depressão e a estanqueidade, na parte inferior do gaseificador, é

garantida por um selo d’água.

A água de resfriamento e de lavagem, utilizada nas torres, passa por uma filtragem em filtro de

areia, é resfriada numa torre de resfriamento e retornada às torres de lavagem, ficando em circuito

fechado. A reposição de água ao sistema é necessária principalmente devido à evaporação da água na

torre de resfriamento.

Outra variante do gaseificador co-corrente é o modelo desenvolvido pela Termoquip Energia

Alternativa Ltda, empresa brasileira fundada em 1981 que atua nas áreas de energia térmica e de meio

ambiente. A Termoquip desenvolveu a tecnologia de gaseificação e combustão combinadas.

O gaseificador Termoquip é um reator fluxo co-corrente desenvolvido especificamente para

gaseificar lenha. Devido às características do projeto obtém-se um gás praticamente isento de alcatrão.

A grelha fabricada em liga especial de aço inoxidável remove automaticamente a cinza e carvão

residual proporcionando a produção de gás de forma contínua e estável.




Figura 8. Esquema do Corpo do Gaseificador de Topo Aberto do IIS

Fonte; MUKUNDA et all




Figura 9. Esquema do Sistema de Limpeza de Gases para Aplicação em Motores do IIS

Fonte; MUKUNDA et all

Uma composição típica de gás gerado neste tipo de gaseificador é apresentado na Tabela 1.

Tabela 1. Composição Típica de Gás Gerado no Gaseificador do IIS (% Vol. b. s.).

CO

19±1

H2

18±2

CH4

1,25±0,5

CO2

12±2

N2

Completo




O poder calorífico ficou em torno de 4 MJ/kg a 4,4 MJ/kg e o teor de alcatrão na

saída do gaseificador atingiu valores de 100 mg/m3, tendo caído para 20±10 mg/m3 após o filtro fino

(lado frio). O material particulado vai de 700 mg/m3 na saída do gaseificador, caindo para 50 mg/m3

após o filtro.

As principais vantagens dos gaseificadores co-correntes são:

• Consomem entre 99 a 99,9 % do alcatrão; desta forma o gás gerado pode ser transportado em

tubulações e utilizados em motores com um mínimo de limpeza;

• Os materiais inorgânicos ficam retidos na matriz de carvão e cinza retirada pelo fundo dos

gaseificadores, reduzindo de forma acentuada a necessidade de ciclones de elevada eficiência e

filtros a quente;

• O gaseificador co-corrente é um sistema comprovado, com mais de um milhão de veículos

utilizando este sistema durante a Segunda Guerra Mundial;

• O gás (quando limpo) pode ser utilizado em motores de linha, sem maiores modificações;

• Os gaseificadores de topo aberto apresentam poucos problemas em casos de explosão;

As principais desvantagens são:

• O combustível tem de apresentar baixa umidade (<20 %) e granulometria uniforme;

• O gás sai do gaseificador a temperaturas elevadas (em geral 700 oC); desta forma esta energia é

perdida, a menos que haja algum aproveitamento (para preaquecimento do ar, secagem do

combustível etc.);

• Tipicamente 4 a 7 % do carbono do combustível não é convertido, saindo com as cinzas pelo fundo

do gaseificador;

• A potência de pico de motores com ignição a vela é reduzida em 30 a 40 %, a menos que ele seja

turbinado;




5. Gaseificador de Leito Fluidizado ou de Leito Circulante

Antes de entrarmos nas características de um equipamento de gaseificação em leito fluidizado é

importante entender o seu princípio de funcionamento.

leito fixo(a)

VG<Umf VG=Umf Umf<VG<Ut Ut<VG

leitoborbulhante (c)

mínimafluidização (b)

transportepneumático(d)

Velocidade do gás de fluidização

Figura 10. Evolução da Pressão na Base de um Leito de Material Particulado com o Aumento da

Vazão de Ar

P




Ao passarmos um gás através de um leito de material particulado, como indicado na Figura 10,

observa-se somente uma elevação de pressão na grelha. Ao elevarmos continuamente a vazão do gás

obteremos uma elevação também contínua da pressão até atingirmos uma velocidade, denominada

velocidade de mínima fluidização (Umf) na qual a força peso das partículas se iguala à força de arraste

do gás. Neste ponto as partículas começam a se descolar uma das outras e ficam suspensas, passando a

se comportar como um líquido. Incrementos adicionais de velocidade provocam o surgimento de

bolhas de gás no interior da suspensão, criando duas fases. Uma constituída somente de gás, na forma

de bolhas, e outra, denominada emulsão, composta de gás e material particulado fluidizado.

As bolhas, ao subirem, aumentam de tamanho, por redução de pressão e coalescimento com

outras bolhas, arrastando grande quantidade de material particulado na sua subida. São elas as

responsáveis pela grande taxa de circulação de sólidos no leito. A elevação continuada da vazão, nesta

condição, provoca somente o aumento do número e tamanho das bolhas, sem elevar a pressão na base

da grelha. Quando a velocidade do gás atinge a velocidade terminal das partículas (Ut) começa a haver

um arraste do material mais fino, diminuindo a altura do leito e a pressão na sua base. No casos destas

partículas arrastadas serem coletadas em um ciclone, ou outro dispositivo semelhante, e serem

retornadas ao leito, têm-se um leito fluidizado circulante. Quando não há este retorno, tem-se um leito

de arraste.

Os gaseificadores de leito fluidizado podem ser de leito borbulhante ou de leito circulante. A

diferença básica é a velocidade com que o material atravessa o leito. O gaseificador de leito

borbulhante foi o primeiro gaseificador de leito fluidizado a ser projetado, com velocidade de 1 m/s.

No de leito circulante, resultado de projeto mais recente, o material atravessa em velocidade mais alta

(7 a 10 m/s), permitindo melhor mistura do ar com o combustível a ser gaseificado.

O leito fluidizado foi desenvolvido antes da Segunda Guerra Mundial para sistemas de

gaseificação de carvão mineral de grande capacidade (gaseificadores Winkler). Ele, posteriormente,

foi adotado pelas indústrias petroquímicas e químicas para o craqueamento catalítico de

hidrocarbonetos pesados, secagem e uma infinidade de outras aplicações. Os equipamentos de leito

fluidizado são reconhecidos por apresentarem elevadas taxas de produção e de troca de calor. Eles são

mais complicados de operar que os leitos fixos e por esta razão são empregados majoritariamente em

grandes instalações.




Combustão de biomassa em leito fluidizado tem sido largamente utilizado devido à

sua característica de poder operar com combustível com umidade elevada (até 65 % de umidade). Para

formar a base de suporte de um leito fluidizado, normalmente se utiliza areia, que representa um

grande reservatório térmico capaz de atenuar grandes variações de umidade por períodos relativamente

longos, no combustível alimentado, ao contrário de caldeiras de grelha.

Os equipamentos de leito fluidizado normalmente apresentam uma capacidade por unidade de

área transversal maior que outros gaseificadores, que, por sua vez, podem apresentar uma capacidade

por unidade de volume maior. Eles ainda são reconhecidos por serem mais flexíveis com relação ao

combustível alimentado, mas não devem ser considerados como capazes de operar com qualquer tipo

de combustível. As dimensões máximas tem se situado em torno de 5 a 10 cm. Materiais com

granulometrias muito finas também apresentam problemas de arraste excessivo do leito (quando este é

do tipo borbulhante).

Operações a pressões pouco maiores que a atmosférica são muito difíceis, exigindo sistema de

comportas, alimentação por roscas e sistemas de selagem especiais. Entretanto, existem muitas

vantagens em operar estes gaseificadores a pressões da ordem de 10 a 20 bar. Turbinas a gás e

processos de síntese normalmente utilizam gases a pressões elevadas. Além disso, a capacidade do

gaseificador aumenta rapidamente com a pressão.

O emprego de combustíveis com cinzas de ponto de fusão baixo (teor de alcalinos elevado)

podem apresentar problemas de sinterização e colapso do leito. Emprego de caolim no leito tem sido

reportado como forma de contornar este problema.

Dos gaseificadores de leito circulante existentes ou em fase de teste, dois se destacam. O

gaseificador atmosférico desenvolvido pela empresa Sueca, TPS Termiska Processer AB e o

gaseificador pressurizado localizado em Värnamo, Suécia desenvolvido pela Sydkraft AB, em

cooperação com a Foster Wheeler Energy International Inc (mais detalhes destes gaseificadores ver

Gaseificadores de Grande Porte).




6. Gaseificadores de Grande Porte:

Gaseificadores Pressurizados

Organização Descrição / Finalidade País

Biosyn Gaseificação de leito

fluidizado para a produção

de metanol

Canadá

Carbona Inc. (anteriormente

Enviropower e Vattenfall)

Leito fluidizado pressurizado EUA

Elsam / Elkraft Gaseificação de biomassa e

carvão para produção na

Dinamarca

Dinamarca

Enviropower (Vattenfall,

Tampella, IGT)

Gaseificador de leito

fluidizado recirculante

Finlândia

Foster Wheeler – Pyroflow

(anteriormente Ahlstrom

Corporation)


fluidizado circulante

Finlândia

Hawai Biomass Gasification

Project

Gaseificador alimentado com

bagaço de cana e madeira

EUA

Institute of Gás Technology

Gaseificação em leito

fluidizado, gaseificador em

escala piloto do processo de

Renugas

EUA

Thermochem, Inc.

(Manufacturing and

Technology Conversion

International, Inc. (MTCI))

Leito fluidizado vapor com

combustor de pulso

EUA




Värnamo IGCC

(Gaseificador integrado

combinado com ciclo de

Geração de Energia) Plant,

(Bioflow, Sydkraft, Foster

Wheeler)

Primeiro gaseificador

integrado, ciclo combinado,

leito fluidizado pressurizado

recirculante para operar com

biomassa

Suécia

Vattenfall Lime Kiln

Gasefier (Gotaverken,

Kvaerner)


fluidizado circulante para

fornos de cal

Suíça

Gaseificadores Atmosféricos

Organização Descrição / Finalidade País

Battelle Columbus

Laboratories, BCL

Leito fluidizado duplo e

combustor de pirólise

EUA

Bullington Eletric, Vermont

(Ferco, Battelle)

Demonstração do

gaseificador do Battelle em

planta existente de madeira

EUA

EPI ( anteriormente JWP

Energy Products)


fluidizado a pressão

atmosférica

EUA

Lurgi Energie – und

Umwelttechnik GmbH


fluidizado circulante para

geração de gás para fornos

de cimento e cal

Alemanha

Sofresid / Caliqua (andco

Torrax)

Gaseificador de ar

contracorrente de resíduos

França

TPS Termiska Processer AB Principal fabricante de Suécia




(Studsvik Energiteknik AB,

ARBRE)

gaseificadores de leito

fluidizado combinado com

ciclo de geração de energia

Voluns R & D Center

(Ansaldo)

Gaseificador contracorrente

para palha e madeira

Dinamarca

6.1 Hawai Biomass Gasification Project

Descrição / Finalidade: Unidade de demonstração de gaseificador alimentado com bagaço de cana e

madeira.

País: EUA

O objetivo desse projeto era a elevação da escala do gaseificador desenvolvido pelo IGT (IGT

RENUGAS), de 2 MW de potência térmica, para 20 MW. Essa unidade de demonstração deveria

operar sendo alimentada com bagaço de cana e madeira. O gaseificador foi projetado para operar tanto

com injeção de ar quanto oxigênio, a pressões de até 2,07 MPa e com temperaturas dos gases à saída

na faixa de 850 a 900ºC.

Esse projeto era o único entre os projetos de desenvolvimento de maior porte a estudar a

gaseificação do bagaço de cana. O projeto compreendia três fases: (1) gaseificação de biomassa, (2)

geração de eletricidade, (3) síntese do metanol. A unidade está construída em Paia, na ilha de Maui, no

Hawai, em uma fábrica de açúcar da Hawaiian Commercial and Sugar Company. Em 1999 o projeto

encontrava-se definitivamente paralisado, em função de dificuldades técnicas principalmente relativas

à alimentação do bagaço de cana e limpeza dos gases.




Figura 11. Esquema das Instalações do Projeto Hawai Biomass Gasification

Fase 1: Construção e testes preliminares de gaseificação de biomassa

Fase 2: Geração de eletricidade através de turbina de combustão

Fase 3: Síntese do metanol

6.2 Värnamo Planta Gaseificador Integrado – Ciclo Combinado (Bioflow, Sydkraft, Forter

Wheeler)

Descrição / Finalidade: Primeiro gaseificador integrado, ciclo combinado, recirculante de leito

fluidizado pressurizado para operar com biomassa.

País: Suécia

O sistema de gaseificador integrado - ciclo combinado tem a vantagem da elevada eficiência

elétrica e de baixas emissões. Está é a primeira planta do mundo que opera com gaseificador integrado

ciclo combinado. A Bioflow Ltd, foi estabelecida em 1992 para realçar o desenvolvimento e o




marketing desta tecnologia.

O layout desta planta é mostrado na Figura 14 e o arranjo é mostrado na Figura 15. O

combustível é seco até um índice de umidade de 10-20%. Usa um gaseificador recirculante de leito

pressurizado fluidizado. O ar é comprimido e entra na grade dos bocais, fluidizando os sólidos acima

da grade. A biomassa é imediatamente pirolisada enquanto entra no leito fluidizado. O gás flui para

cima do gaseificador com os sólidos fluidizados que contém a cinza, (areia e dolomita) e o material do

leito. O gás e os sólidos entram no ciclone onde a parte principal dos sólidos retorna à parte inferior do

gaseificador. O gás que sai do ciclone flui em um refrigerador de gás onde (limpo) é refrigerado e

então passa por um compartimento cerâmico do filtro para a remoção de poeira. O gás limpo passa

através de uma válvula governando os combustores da turbina a gás.

Figura 12. Layout da Planta de Värnamo




Figura 13. Arranjo da Planta de Värnamo

O gás combustível da turbina entra em um gerador convencional de vapor para a recuperação

do calor. O vapor desperdiçado é usado na área de aquecimento preferencialmente junto com alguma

outra água refrigerada de baixa temperatura.

Os primeiros estudos do projeto (trabalho) na planta começaram em 1989. O serviço começou

em 1993, mas não havia terminado até 1995. O primeiro funcionamento de teste inteiramente

integrado foi executado em 1995. Em 1996 a unidade foi operada na carga de 100% com a turbina a

gás funcionado com o gás produzido no gaseificador em um excesso (para 150) horas. A planta esteve

em operação (modalidade de gaseificação) por 3200 horas. Os dados do processo e os fornecedores

principais são mostrados na Tabela 5. A planta gera 6 MWe (eficiência de 32%) e 9 MWth (eficiência

de 50%) para um total de 82%. Uma escala típica da composição do gás é N2, (44) 45-50%; H2, (11)

10-12%; CO, (16) 15,5-17,5%; Hidrocarbonetos, (6.5) 5-7%; (H2O, 12%) e CO2 (10.5) 14-17%. Todos

na base seca. Índice de umidade no gás de 10-14%. LCV do gás de aproximadamente 5-6 MJ/Nm³.

Esta é a primeira planta no mundo que consegue operar inteiramente integrada. Esta planta

confirma a viabilidade técnica e econômica da tecnologia e fornece dados da engenharia e design para

projetos de plantas comerciais. Na unidade seguinte espera-se estar na escala de 20-60 MWe.




Figura 14. Foto das Instalações de Värnamo

Custo do Processo

O custo total a planta de cogeração de Varnamo é estimado para ser o MSEK260, £ 25 milhões

(Maio de 1992). Este custo inclui também o secador de alimentação feito sob medida.

Tabela 2. Dados de Processo e os Principais Fornecedores para a Planta de Varnamo de

Gaseificador Integrado – Ciclo Combinado

Tamanho da Planta 18 MW de Entrada do Combustível

Combustível Resíduos de Madeira e Cavaco

Pressão de Gaseificação 22 bar

Temperatura de Gaseificação 950-1000ºC

Valor do Calor do Gás Produzido 5 MJ/Nm³

Poder de Produção 6 MW

Área de Aquecimento 9 MW

Temperatura do Vapor 470ºC

Pressão do Vapor 40 bar

Proprietário da Planta Sydkraf

Gaseificador Foster Wheeler Energia Ou




Filtro de Cerâmica Schumacher

Turbina a Gás European Gas Turbine

Turbina a Vapor Nadrowski

Gerador de Vapor do Calor do Resíduo Foster Wheeler Energia Oy

Booster do Compressor Ingersoll-Rand

6.3 Vermont Biomass Gasification Project

Descrição / Finalidade: Gaseificador integrado com turbina a gás.

País: EUA

O objetivo geral do projeto é demonstrar a integração de um gaseificador de aquecimento

indireto com turbina a gás, a partir da tecnologia de gaseificação desenvolvida pelo Batelle Columbus

Laboratory, com injeção de vapor (para produção de gás com maior densidade energética, com poder

calorífico inferior de aproximadamente 17 MJ/Nm³)

A unidade piloto de gaseificação, de 2 MW térmicos, deverá dar origem a uma unidade de

demonstração de 40 MW térmicos, permitindo a alimentação de uma turbina a gás de 15 MW. A

instalação está sendo construída na cidade de Burlington, no Estado de Vermont, EUA, em uma área já

parcialmente ocupada por uma termelétrica convencional a vapor, alimentada por madeira, com

capacidade de 50 MW. A unidade de demonstração também deve utilizar como insumo.




Figura 15: Esquema da Planta de Vermont

6.4 TPS Termiska Processer AB ( Studsvik Energiteknik AB, ARBRE)

Descrição / Finalidade: Principal fabricante de gaseificadores de leito fluidizado.

País: Suécia

A TPS Termiska Processer AB (anteriormente parte da Studsvik Energiteknik AB) é uma

companhia de pesquisa e desenvolvimento, baseada na Suécia. A companhia trabalha no campo da

energia, na pesquisa de processos ambientais e no desenvolvimento de tecnologias.

A Studsvik Energy conduzia companhias de pesquisa e desenvolvimento em processos de

conversão de energia que envolvem combustíveis sólidos, sistemas para a distribuição do calor e

recuperação de calor. Durante a primeira metade de 1992, a Energy Studsvik era propriedade da

Vattenfall (Empresa de Serviço Público sueca). Em 1º de julho a Studsvik Energy tornou-se uma

companhia independente nomeada TPS (Thermal Process Studsvik).

O trabalho inicial de gaseificação incluiu estudos em escala de bancada que conduziram à

construção de 2,5 MWth (500 kg/h) uma planta de gaseificação de leito fluidizado (processo MINO)

pressurizado (10-30 bar) com alimentação de madeira e turfa, financiada pela Agência Sueca de

Energia em Studvik. O alvo deste processo era produzir um valor baixo a médio de aquecimento do

gás dependendo do uso do oxigênio ou do ar no processo.

O protótipo do gaseificador foi baseado na tecnologia de leito fluidizado borbulhante com

temperatura operando entre 700 e 900ºC. O gás produzido no processo MINO contém alcatrões

condensados que foram tratados por catálise em reforma secundária onde a temperatura é elevada a

850 e 1000ºC pela injeção adicional do oxigênio. O trabalho de teste na planta piloto de MINO

mostrou que o catalisador (o níquel é um portador de alumina) era um conversor eficiente dos

alcatrões, minimizando o consumo de oxigênio pela reforma secundária. Os alcatrões eram

conversores dos componentes úteis do gás desse modo aumentam a eficiência do processo e evitam

sujar o equipamento da recuperação do calor do vapor. O último projeto MINO executado realizou-se

em 1986.

O gaseificador de leito fluidizado circulante atmosférico da Studsvik era o desenvolvimento de




um design mais adiantado de um combustor de leito fluidizado. O primeiro gaseificador de

escala piloto 2 MWth projetado para a produção de gás de baixo poder calorífico (4-7 MJ/m³) a partir

de combustíveis como a biomassa e a lignina, foi operado em 1986 e os programas de teste foram

realizados com cascas e resíduos industriais. O gaseificador funcionou bem fornecendo uma eficiência

elevada de combustão. Em 1987, devido a um interesse crescente no gaseificador diesel para a geração

de eletricidade, um fragmentador de leito fluidizado para remover o alcatrão do gás produzido e um

motor diesel foram instalados abaixo da saída de vapor do gaseificador. O fragmentador de leito

fluidizado era um desenvolvimento do método de quebra catalítica do alcatrão usando dolomita

desenvolvido nos laboratórios do Studsvik. Os estudos do laboratório em Studsvik mostraram que a

quebra catalítica eficaz do alcatrão poderia ser obtida com um material catalítico ativo simples tal

como a dolomita, em pressão atmosférica e em umas temperaturas entre 800 e 900ºC. Este laboratório

continua trabalhando. A operação combinada do gaseificador / fragmentador / sistema de motor

começou no fim de 1987.

15 MWth (entrada) de dois gaseificadores de leito fluidizado circulante Studisvik (sem os

reatores de quebra secundária) foram instalados em Chianti pela Aerimpianti SpA. O produto do

gaseificador é um gás para combustão em caldeiras a vapor. O gaseificador foi construído sob a

licença da Ansaldo Aerimpiant.

Processo Sumário

O alvo deste processo é a gaseificação de biomassa de madeira ou de resíduos municipais em

um gaseificador de leito fluidizado circulante atmosférico para a produção de gás combustível para ser

usado em motor duplo combustível, em uma turbina a gás ou em uma caldeira / fornalha / forno

combustível. Um reator secundário de leito fluidizado circulante quebra todos os alcatrões do gás

produzido. Uma planta em escala piloto com uma saída térmica de 2 MWth foi desenvolvida. Consiste

em um gaseificador de leito fluidizado circulante, um fragmentador de leito fluidizado circulante que

remove os alcatrões do gás e um motor diesel turbo (modificado para a operação quando se usa gás

com baixo poder calorífico). A primeira aplicação comercial deste processo foi para a gaseificação de

combustíveis, em Chianti.

Em 1989 a TPS vendeu uma licença da sua tecnologia do gaseificador de leito fluidizado




circulante a Ansaldo Aerimpianti SpA para uma planta de gaseificação abastecida com

resíduos em Chianti, Itália. Esta planta tem dois gaseificadores de leito fluidizado circulante de 15

MWth e capacidade de 200 toneladas de combustíveis por dia. Os gases são queimados em uma

caldeira de geração de 6,7 MWe e condensam-se em uma turbina a vapor. O gás é usado também em

uma fábrica vizinha de cimento. A planta vem operando desde 1992.

Figura 16. Esquema da Planta Piloto do Gaseificador Atmosférico da Studisvik

Os alcatrões são o interesse principal dos gaseificadores de leito fluidizado, no começo de

1985 a TPS inicio o trabalho de desenvolvimento de um processo patenteado em que os alcatrões são

quebrados cataliticamente formando compostos mais simples em temperatura de aproximadamente

900ºC com um gaseificador de leito fluidizado circulante contendo dolomita.

Em 1990 o gaseificador de pressão atmosférica da TPS, para aplicações em operações de

Steam Turbine

Flue Gas

Preparation Dryer

Chimney

Fuel Gasifier

Dolomite

Cracker

Heat Recov. Steam

Ge nerat.

Ash

Gas Turbin e Air

Air

Electricity

Compressor

Filter Scrubber

Cooling

Effluents

Ash, Dol Sand

Process Developed by TPS-Termiska Processer AB




ciclo combinado operando com plantas de pequena e média escala, foi comercializado como

Gaseificador Integrado Ciclo Combinado de Biomassa (BIG-CC). A tecnologia do BIG-CC consiste

em:

• Preparação e secagem do combustível (se requerido).

• Entrada de ar na gaseificação a pressão atmosférica em reator de leito fluidizado circulante.

• Quebra do alcatrão usando um catalisador de dolomita em um reator secundário de leito

fluidizado circulante.

• Refrigeração e limpeza do gás produzido através de uma unidade convencional do filtro /

unidade de limpeza.

• Compressão do gás combustível em um compressor múltiplo estágio.

• Combustão e expansão do gás combustível em uma turbina a gás.

• Recuperação do calor do gás de exaustão da turbina a gás usando um gerador de turbina a

vapor.

Alguns dados são mostrados na Tabela 2.

Em 1992 a TPS começou um trabalho experimental e o estudo de engenharia para uma planta das

Nações Unidas no Global Environment Facility para projetos de gaseificação. Esta planta de 30

MWe abastecida com eucalipto seria construída no Brasil. A turbina a gás proposta para esta planta

é uma General Electric LM2500. O sistema da TPS foi escolhido para este projeto.

Características do Gás

O produto deste processo (gaseificador leito fluidizado circulante / sistema de fragmentação de leito

fluidizado circulante) é um gás de baixo poder calorífico que pode ser usado como um combustível

nos motores, turbinas a gás ou para fornalhas de gás / caldeiras / fornos de olarias como mostra a

Figura 12. Uma composição média do gás dos combustíveis reativos é mostrada na Tabela 3.

A gaseificação do PVC pode resultar em um gás contendo HCl, poeira e metais pesados. Os

níveis preditos destes contaminadores não são relatados. O efeito destes contaminadores no leito de

dolomita e no fragmentador de leito fluidizado circulante começou a ser investigado. O índice de

alcatrão no gás que segue para o fragmentador e antes da limpeza (se na operação) é aproximadamente




1500 g/Nm³ (gás).

Tabela 3. Dados do Processo da TPS de Gaseificadores de Leito Fluidizado Circulante / Sistema

de Fragmentação de Leito Fluidizado Circulante

Processo tipo Gaseificação de leito fluidizado

Biomassa principal Madeira

Outras biomassas testadas Paletes de combustíveis

Produto principal Gás de baixo poder calorífico

Uso do produto principal Abastecimento do motor duplo

combustível ou turbinas a gás.

Biomassa introduzida 360 kg/h

Reagente Ar

Reator tipo Leito Fluidizado Circulante

Pressão Inicial de Operação do Reator Ligeiramente maior que 1 bar

Temperatura Inicial de operação do Reator 700-900ºC

Reator Secundário Tipo Leito Fluidizado Circulante

Pressão Secundária de Operação do Reator Ligeiramente maior que 1 bar

Temperatura Secundária de Operação do Reator 850-950ºC

Taxa de Fluxo da Perda de Gás Nenhuma

Taxa de Fluxo da Perda de Líquidos Menor que 100 mg/m³

Taxa de Fluxo da Perda de Sólidos Proporcional ao índice de cinza da

alimentação por biomassa

introduzida kg/kg.

Performance

Em junho 1990, o gaseificador de 2 MWth da Studsvik tinha sido operado em um total de 2500

horas, o sistema de Gaseificador de Leito Fluidizado Circulante / Sistema de Fragmentação de Leito

Fluidizado Circulante tinha operado 1400 horas e o Gaseificador Leito Fluidizado Circulante /

Fragmentador Leito Fluidizado Circulante / Motor diesel – turbo por 800 horas. A eficiência prevista

do motor diesel (30-32% a eletricidade) foi alcançada embora os gases de exaustão contenham uma

concentração mais elevada de monóxido de carbono e de hidrocarbonetos em relação ao gás de




conduto da combustão da madeira em caldeiras da combustão. O resultado das emissões de

NOx do motor estão bastante baixas, entretanto, vai de encontro com exigências ambientais que são

extremamente restritas sem a necessidade da limpeza do gás da exaustão.

O gás combustível resultante tem um poder calorífico entre 4 e 7 MJ/Nm³ e tem uma eficiência

de gás quente de aproximadamente 90%. A eficiência na conversão do carbono é maior que 95%. Isto

é sustentado pelo trabalho de teste realizados no sistema de leito fluidizado circulante do gás quente e

limpo em um fragmentador catalítico eficaz de condensação dos alcatrões contidos no gás em estado

natural produzido. A eficiência da conversão de alcatrão é de 90 a 95%.

O gás produzido tem um baixo índice de alcatrão. Até 99% do alcatrão produzido na

gaseificação é convertido catalicamente em componentes gasosos não condensáveis no fragmentador

de leito fluidizado circulante.

Tabela 4. Sumário das Características do Gás

Gás % Volume

Hidrogênio 7-9

Monóxido de Carbono 9-13

Dióxido de Carbono 12-14

CxHy 6-9

Nitrogênio 47-52

H2O 10-14

Outro 0,5-1,0

Poder Calorífico Superior 4-7 MJ/Nm³

Emissões Gasosas

Quando o gás produzido é usado para abastecer o motor diesel, notou-se que as emissões de

hidrocarboneto eram elevadas e as emissões de NOx e de CO eram baixas. Um desenvolvimento

adicional é necessário nesta área.

Tabela 5. Análises de Exaustão

Antes do Catalisador Depois do Catalisador

Oxigênio - % 5 5




CO, ppm 2500 100

Hidrocarbonetos, ppm 1600 800

Nox, ppm 50-70 50-70

PAH, mg/Nm³ 0,3 0,15

Nota: O catalisador é um catalisador de oxidação.

Emissões de Líquidos

As emissões líquidas na forma de alcatrões são extremamente baixas. O índice de alcatrão do

sistema de gaseificação de leito fluidizado circulante / sistema de fragmentação de leito fluidizado

circulante é menor que 100 mg/Nm³ desde que a temperatura da quebra esteja acima de 850ºC.

Tecnologias de Controle da Poluição

Depois do gaseificador, o gás produzido passa através de um segundo reator de leito fluidizado

circulante onde todos os alcatrões do gás produzido são quebrados em temperaturas entre 850 e

1000ºC.

Emissões de Sólidos

Este processo de gaseificação produzirá cinza. A taxa de cinza depende da cinza contida na

biomassa alimentada no gaseificador.

Custo de Processo

O menor gaseificador que a TPS consideraria fabricar é de 15 MWth (a alimentação de

entrada). Para uma planta de gaseificação de 52 MWth para a produção de 17 MW do processo de

vapor, (9 MW para a região de aquecimento e 16 MW da eletricidade), pode ser encontrado em

Mariestad, Suécia fabricado pela Gullspand Kraft AB (A terceira maior Empresa de Serviço Público

da Suécia), o custo total de investimentos é estimado para ser 300 x 106 SEK, £ 30 x 106 (Maio de

1992).

Status Atual e Planos Futuros

Segundo J. Birse da Associação Comercial a Indústria Britânica de Bioenergia, o projeto




ARBRE está funcionando com o gaseificador contracorrente da TPS que foi bem testado na

Suécia. A saída total é ao redor 10 MWe sendo que parte deste é usado no local para o processamento

do combustível.

O projeto faz parte de uma parceria que inclui a TPS e a Schal da Holanda, mas o projeto é

dominado pela Yorkshire Ambiental. Recentemente, a ARBRE teve problemas em recrutar

fazendeiros para criar a SRC, mas recentemente o excelente trabalho realizado por membros de MAFF

com oficiais em Bruxelas ganhou o subsídio para a colheita junto com uma concessão adicional para

os estabelecimentos (baixo volume, mercado imaturo) o custo é para ajudar a superar a resistência do

fazendeiro a uma colheita relativamente nova (no Reino Unido). Na fase inicial, a planta funcionará

com resíduos florestais.

A planta de gaseificação em escala piloto da Studsvik é operacional. O leito fluidizado

circulante / gaseificador / fragmentador de leito fluidizado circulante / combinado com motor diesel

está pronta para a demonstração em escala comercial. A Studsvik atualmente está investigando a

produção de um combustível apropriado para turbinas a gás do gaseificador atmosférico - as

discussões são atualmente com a General Electric e o outros para obter uma turbina a gás aero

derivativa apropriada de 10-20 MW.

A licença para o sistema atmosférico do gaseificador leito fluidizado circulante da Studsvik é

mantida pela própria Studsvik. A planta de gaseificação em Chiant foi construída sob a licença da

Aerimpianti que detém a licença para a planta de combustão da Studsvik na Itália.




Figura 17. Atividades Atuais da TPS

7. Gaseificadores de Pequeno Porte:

7.1 AEW, Associated Engineering Works

Descrição / Finalidade: Gaseificadores co-corrente

TPS Pesquisa & Desenvolvimento Estudos de Praticidade deEngenharia

TPS O Banco Mundial patrocinou o projeto brasileiro BIG-CC de 30MWe

Pesquisa de campo Estudo da NREL & DOE sobre as opções de resíduos para gaseificação

Royal Schelde / NBM / TPS Holanda Proposta para 30 MWe de biomassa

TPS Estudos para o gaseificador de biomassa integrado ciclo combinado Boras Energi, Suécia

Weyerhauser Estudo de Praticidade / EPRI /DOE Planta de gaseificação de biomassaintegrada de ciclo combinado

TPS / Companhias holandesas Planta de gaseificação abastecidapor resíduos.

ARBRE Energy Limited Desenvolvimento de planta de biomassa Energia de sivicultura / gaseificação




País: India

A AEW começou seus negócios em 1986 com o gaseificador de biomassa para aplicações

térmicas entre outras. O gaseificador funciona com madeira, casca de arroz e pode ser adaptado para

outros combustíveis.

Esses gaseifcadores possuem separadores centrífugos de alcatrão que proporcionam uma

filtração perfeita. Os gaseificadores térmicos são usados principalmente em cozinhas. Os

gaseificadores são projetados com um novo conceito, eles possuem uma grelha que gira

constantemente o cilindro da cinza.

7.2 Ankur Scientific Energy Technologies

Descrição / Finaldade: Gaseificador co-corrente para madeira e resíduos agrícolas.

País: Índia

A Ankur Scientific Energy Technologies fabrica gaseificadores pequenos para bomba de

irrigação. Mais de cem desses gaseificadores já foram instalados. A maioria deles não trabalha por

muito tempo pois eles podem ser substituído também pelo diesel que é uma alternativa mais acessível

por ser subsidiado na Índia.

A série FBG é oferecida em 1055,06 MJ/hora e 2637,64 MJ/hora (250 kW) para partículas

finas de biomassa (casca de arroz, serragem, e outros resíduos da agroindústria). Gaseificadores de 100

e 250 kW estão operando há muitos anos na Fortune Bio-Tech Ltd em Hyderabad. Uma unidade de

100 kW instalada em Raipus opera com casca de arroz. Três gaseificadores, um de 100 kW e dois de

250 kW estão operando em uma indústria de óleo (K N Oil Industries) em Mahasamund.

Na fábrica existem alguns gaseificadores que estão em fase de testes, como gaseificadores de

7.5, 24, 48, 250 e 500 kW.


Descrição / Finalidade: Pesquisa e desenvolvimento de gaseificadores de biomassa

País: USA




Em 1983 foi fundada a Biomass Energy Foundation, para trabalhar com biomassa,

particularmente com gaseificação. T. B. Reed desenvolveu um gás de madeira no “fogão turbo” que

queima a biomassa com eficiência sem emissões significativas.

T. B. Reed trabalhou também com a Company Power Generation onde atualmente está sendo

desenvolvido um gaseificador de 12 kW.

7.4 The Buck Rogers Gasifier

Descrição / Finalidade: Gaseificador co-corrente.

País: USA

A companhia desenvolveu um gaseificador co-corrente, aberto no topo em tamanho industrial.

O gaseificador produz um gás relativamente limpo, com um teor de alcatrão médio (< 1,000 ppm).

Esse gaseificador foi vendido no período de 1982-1986.

Esses gaseificadores usam um braço que gira lentamente distribuindo uma fração de ar acima

da grade (40/80 cm). Isso focaliza o começo da zona flamejante de pirólise impedindo que ela

aconteça acima ou fora do gaseificador quando é usada uma madeira muito seca. Um ventilador em

co-corrente succiona o ar que é levado a um queimador.

O gaseificador foi projetado para se adaptar a caldeiras a vapor. Esse gaseificador foi estudado

extensivamente na Universidade de Kansas em teses orientadas pelo professor Walt Wallawender.

Alguns dos dados mais exatos feitos em gaseificação foram obtidos neste gaseificador. Os valores

típicos de funcionamento são mostrados na tabela abaixo.

Tabela 6. Valores Típicos de Operação do Buck Roger Gasifier

Entrada

Plaquetas úmidas 212.0 libras/hora 96.16 kg/h

Ar seco 309.3 libras/hora 140.30 kg/h

H2O 1.6 libras/hora 0.73 kg/h

Total 522.9 libras/hora 237.18 kg/h

Saída

Ar seco 482.1 libras/hora 218.68 kg/h




Queima 5.5 libras/hora 2.49 kg/h

Alcatrão 0.4 libras/hora 0.18 kg/h

H2O 50.4 libras/hora 22.86 kg/h

Total 538.4 libras/hora 244.21 kg/h

Fechamento 97 %

Desempenho

Taxa seca da plaqueta 188.1 libras/hora 85.32 kg/h

Umidade da plaqueta 11.26 % WB

Balanço material 97.0 %

Rendimento do gás 2.92 libras/100 libras plaquetas secas

Rendimento alcatrão 829 ppm

Na operação normal o braço gira de 1-2 vezes/hora produzindo um nível de alcatrão

relativamente baixo. Entretanto, girando o braço mais rapidamente, mais carvão de lenha é extraído da

grelha. Sob estas circunstâncias o valor do aquecimento do gás aumentou, houve também um aumento

substancial na quantidade de alcatrão. Concluiu-se que o gaseificador poderia ser um valioso produto,

contanto que o gás fosse mantido quente o bastante para evitar que o alcatrão se condense antes da

combustão.

7.5 Camp Lejeune Energy from Wood (CLEW)

Descrição / Finalidade: Sistema de gaseificador co-corrente para gerar 1 MW com madeira.

País: USA

Este projeto demonstra na prática as questões técnicas, econômicas e ambientais da conversão

de energia. Um acampamento próximo fornece a madeira para a operação do gaseificador,

minimizando o transporte e maximizando o uso dos recursos locais.

A planta possui um secador de madeira que se move no leito, o gaseificador co-corrente usa

resíduos de madeira, possui sistema de refrigeração, limpeza do gás e um motor a ignição. A exaustão

do motor misturada com o ar que é puxado através do leito do secador reduz a umidade da madeira a




8-15%

Figura 18. Diagrama de Fluxo da Camp Lejeune Energy

Todos os componentes do gaseificador são operacionais. Mais de 50 testes já foram

completados. Este pode ser o sistema gaseificador co-corrente que mais tempo operou nessa escala nos

Estados Unidos. A planta está sendo testada com resíduos de madeira com um custo mais baixo. Todas

as operações restantes da unidade mostram bom desempenho e confiabilidade. As características

originais incluem um secador de madeira maior usando somente o calor da exaustão do motor, projeto

dos filtros, separador de líquido recuperado, e projeto para controle automático e sincronizado para

fornecer calor contínuo para operação. Financiamentos adicionais estão sendo procurados para

terminar as modificações para otimizar a operação em longo prazo.

O custo do gaseificador varia de US$ 600-1200/kWh. O custo mínimo pode ser obtido quando

é adicionado ao sistema de gaseificação um combustível alternativo a um jogo de gerador existente no

motor.

7.6 Chiptec Wood Energy Systems

Descrição / Finalidade: Horizontal, grelha fixa ou móvel, acoplado para fornecer calor às caldeiras.

País: USA

A Chiptec fabrica gaseificadores acoplados com caldeiras. Foi fundada em 1986 baseada em

tecnologia importada da Europa. Em 1987 eles desenvolveram um gaseificador residencial. Em 1988

começam a trabalhar em sistemas automatizados maiores e em 1989 fabricaram uma unidade de 1

MBtu/hora (1055.06 MJ/hora). Receberam uma patente em 1983 baseado em seus equipamentos

técnicos de controle do ar. A Chiptec fez mais de cem instalações em Vermont e em estados vizinhos.

Os testes de eficiência foram executados em 10 sistemas diferentes instalados entre 1991 e

1995, usando um analisador de combustão de Bacharach. O resultado trouxe a eficiência instalada do

sistema que varia de 77% a 83,2%.




Tabela 7. Gaseificador Produzido pela Chiptec

Modelo nº Saída Taxa de Queima Remoção da cinza

MJ/hora kg/hora

A-5 527.53 50.80 manual

A-9 949.55 91.17 manual

C-1 1055.06 101.15 automática

C-2 2110.11 202.76 automática

C-3 3165.17 303.91 automática

CX-4 4220.22 405.51 automática



DX-8 8440.45 772.01 automática

DX-10 10550.56 965.24 automática

A Chiptec possui um sistema de gerência de combustão de qualidade o qual consiste no uso de

controladores programáveis que podem controlar e monitorar a combustão a fim de manter a qualidade

do ar.

7.7 Cratech

Descrição / Finalidade: Gaseificador de biomassa em pequena escala integrado com turbina.

País: USA

A Cratech recebeu um contrato do Programe Regional Ocidental de Biomassa para desenvolver

uma gaseificador de pequena escala alimentado com biomassa para abastecer uma turbina a gás. A rota

de planejamento e desenvolvimento é:

• Fase 1: Construir e demonstrar um gaseificador borbulhante de 0.5 tph em 2 atmosferas,

incluindo um sistema de limpeza do gás quente.

• Fase2: Construir e demonstrar um gaseificador de 1 tph em 10 atmosferas, incluindo sistema de

limpeza do gás quente.




• Fase 3: Integrar o sistema da Fase 2 com uma turbina de 1MWe.

A Fase 1 foi terminada com sucesso. Na fase 1 foi construído e operado um gaseificador de leito

pressurizado para testes, incluindo um sistema de alimentação, sistema de pressurização, o reator,

sistema de limpeza do gás quente e microprocessador de controle. O diâmetro do reator é de 600mm.

Um diagrama de blocos do processo é mostrado na Figura 18. O sistema foi construído para operar

8 horas ou operar 24 horas com parada programada.




A fase 2 está sendo montada.

Alimentação por pressão de biomassa

Gerador a vapor

Medidor de biomassa Reator Filtro de gás quente Turbina a gás Gerador

Figura 19. Diagrama de Blocos do Processo Cratech

Geralmente, o tamanho comercial mínimo para plantas de gaseificação integradas, ciclo

combinado é de 10-20 MW. Entretanto, como parte do estudo da Fase 1 foi feito uma avaliação

extensiva da operação do gaseificador integrado, ciclo combinado em pequena escala.

7.8 Fluidyne

Descrição / Finalidade: Gaseificador co-corrente

País: Nova Zelândia

A Fluidyne tem trabalhado no desenvolvimento de gaseificação de madeira para a geração de

energia elétrica desde 1977. Desde 1984, quatorze gaseificadores de madeira de 35 kWe foram

instalados no mundo. O gaseificador da Fluidyne foi selecionado para o treinamento no Centro de

Entrada da biomassa




Energia Renovável, na Alemanha e para as experiências com combustíveis renováveis na

Universidade de Bristol na Inglaterra.

7.14 Thermogenics

Descrição / Finalidade: Gaseificador co-corrente invertido.

País: USA

A Termogenics foi fundada nos anos 80 por Tom Taylor. Ele inventou um gaseificador com um

novo tipo de fluxo, o combustível e o ar são alimentados pelo fundo. Em 1990 a NM incorporou a

Thermogenics. Em 1999 a Thermogenics estava com uma nova planta fazenda o gás de síntese.

O gaseificador operou mais de 750 horas. Sua eficiência é de 75-82%, dependendo das

características da alimentação. O índice de material particulado é menor que 10 ppm e o índice de

alcatrão é muito baixo devido a um novo sistema de limpeza.

O gás foi testado nos motores à ignição e a diesel (com 1-5 % de combustível piloto) e em

caldeiras. O combustível pode ser todo de material orgânico com dimensões menores que 5 cm e

índice de umidade máximo de 30% com índice de energia de 11 kJ/g.

Três modelos são disponíveis; Modelo 103, ½ ton/h , Modelo 104, 1 ton/h e Modelo 106, 3

ton/h. Estes são apropriados para produzir 300-400, 600-800 e 1800-2400 kW respectivamente. O

gaseificador tem:

• Multi potencial de combustível

• Partida rápida, operação descontinua simples

• O gás pode ser usado nos motores padrões da IC.

• Sem grelha, meio fluidizado ou outro mecanismo de processo interno.

O gaseificador foi desenvolvido em uma parceria com o Laboratório Nacional Sandia e o

Estado

do Novo México. Os sistemas possuem aproximadamente 20% do custo de outros sistemas de

capacidade equivalente e produzirão volumes grandes do gás de exaustão limpo e quente (>550ºC)

para secagem, processamento do calor e produção de vapor. O sistema está sendo investigado para ser

usado com os motores da Stirling.




A Thermogenics tem um acordo de marketing (com o Canadá) e um acordo de

colaboração com a Ontário Hydro Technologies de Toronto. Eles terminaram um sistema de 0.45

kg/hora para o uso rural. Uma unidade de 2.72 kg/hora está sendo construída.

A Thermogenics tem um programa de testes com o Laboratório Nacional Sandia. A nova série

300 dos gaseificadores para a produção de gás de síntese por pirólise com vapor super aquecido

1366.48 K (1093.33 ºC) está sendo testada.

8. Organizações de Pesquisas de Gaseificadores:


Descrição / Finalidade: Gaseificador co-corrente, sistema modular pequeno de biomassa

País: USA

O Biomass Energy Foundation, BEF, foi fundado em 1984 pelo Dr. Harry LaFontaine. Harry

construiu o gaseificador durante a II Guerra Mundial. Quando estourou a crise de energia em 1974,

Harry deu conferências e demonstrações do gaseificador em muitas universidades em torno do leste do

país.

Em 1982, ele levantou a 501-3-C uma fundação (sem fins lucrativos) para suas atividades com

biomassa.

Em 1994 Harry morreu e Thomas Reed assumiu a BEF, prosseguindo com as finalidades

originais. Desenvolvendo pesquisas na área de gaseificação, consultas, publicações e atividades no

campo da biomassa, especializando-se em gaseificação.

Atualmente, a BEF trabalha com o National Renewable Energy Laboratory, NREL e a

Community Power Corporation desenvolvendo um Sistema Modular de Biomassa de 25kW. Estão

desenvolvendo também um “fogão de gás de madeira turbo” para cozinhar.

8.2 BTG ( The Biomass Technology Group)




Descrição / Finalidade: Leito fluidizado e fixo, pesquisa em gaseificação e consultoria.

País: Holanda

A Biomass Technolog Group B.V. é uma empresa privada independente de consultores,

pesquisadores e engenheiros da Holanda. A BTG é a principal organização no campo da produção de

energia de biomassa e de resíduos.

A BTG iniciou suas atividades como especialistas em gaseificação de pequena escala em 1979,

com vasta experiência em tecnologias ambientalmente corretas para a conversão de biomassa e de

resíduos. As atividades foram desde a pesquisa fundamental até aplicações comerciais. A BTG tem

experiência de campo em mais de 50 países em todos os continentes. Recentemente, experiências em

países asiáticos como: China, Índia, Indonésia, Coréia do Norte, Filipinas e Siri Lanka.

Principais Tecnologias:

• Gaseificação

• Pirólise

• Carbonização

• Combustão

• Densificação

• Fogões para cozinha

Campos de Atividades:

• Pesquisa e Desenvolvimento

• Projetos de engenharia e implementação

• Avaliações do setor e da tecnologia e estudos de praticidade

• Identificação de projetos, desenvolvimento e financiamento.

8.3 CAAMS ( The Chinese Academy of Agricultura Mechanization Sciences)

Descrição / Finalidade: Pesquisa de Gaseificação na China Central




País: China

A CAAMS avalia gaseificadores chineses para Fundação Rockefeller.

O Gaseificador Doméstico de Biomassa para Cozinhar nas Vilas

Em uma vila no interior da China três casas usam gaseificador doméstico de biomassa como

fogões. O gaseificador demora aproximadamente 1 minuto para começar sua atividade e produz gás

suficiente para um fogão de dois queimadores. Ele ferve 5 litros de água em 12-15 minutos.

O gaseificador consome 4 kg de biomassa por hora (sabugo de milho, restos de madeira, palha,

etc) para produzir 12 m³ de gás/hora. O gás que sai do fogão não produz nenhuma grande emissão e

tem uma eficiência estimada de 35% (esse dado vai de encontro com a eficiência típica de quando se

cozinha através da combustão direta da mesma biomassa que é de 12%)

O gaseificador-fogão é simples no projeto e poderia ser feito em lojas rurais em todo o país. O

fogão custa $150.

O Gaseificador Doméstico de Biomassa ainda está em fase de testes no CAAMS.

A China tem um registro na última década do desenvolvimento maciço de sistemas de Biogás

(gás do digestor de estrume) em áreas rurais (estimado em 10 milhões). A tecnologia térmica de

gasificação tem muitas características em comum com o Biogás.

Nas fazendas chinesas o entusiasmo com o gaseificador-fogão foi grande pelo processo ser

mais limpo e mais eficiente.

O uso do gaseificador-fogão reduz o desmatamento e o uso de combustíveis fósseis.

O Gaseificador Industrial ND-600 para o calor do processo industrial

Várias fábricas de móveis no sul de Beijing (China) estão usando atualmente o gaseificador

ND-600 para secar a madeira serrada. O gaseificador consome de 50-60 kg/hora de restos de madeira

para produzir aproximadamente 120 Nm³ de gás de baixa energia (63,30 kJ/hr). Este é queimado

diretamente para a secagem da madeira. O gás pode também ser usado produzindo vapor em uma

caldeira ou para outro processo de calor.




A operação com o ND-600 requer a atenção parcial de um homem com a

alimentação da madeira. Diversos gaseificadores podem ser operados por um homem durante 8 horas.

Os gaseificadores costumam operar 24 horas/dia por períodos prolongados. O gaseificador pode usar

restos de madeira, sabugo de milho, palha, serragem e outros resíduos agrícolas.

Atualmente cerca de 200 destes gaseificadores estão em operação na China. O gaseificador

custa em torno de $1500.

Os gerentes da fábrica do ND-600 estão interessados em exportar o gaseificador para outros

países da Ásia ou licenciar fábricas em outros países para construir o gaseificador.

Este gaseificador atualmente é o principal fornecedor de calor e energia em processos de

secagem na China. Ele tem o potencial de reduzir o desmatamento e o uso de combustíveis fóssil.

A CAAMS está testando um sistema de gaseificação de 20 kW, esse sistema ainda não está em

fase de comercialização.

Quando o gaseificador apresentava algum problema, melhorias adicionais no uso relativo ao

índice de umidade do combustível e ao tamanho da partícula controlado deveriam ser feitas. A falta de

atenção e estes fatores ocasionaram, muitas vezes, falha no sistema.

A última versão do ND-600 produz 128 m³/hora de gás com energia de 630 kJ de 5 MJ/m³. Ele

consome 50-55 kg/hora de biomassa e sua eficiência é da ordem de 75%.

Planos Futuros

A China está desenvolvendo um sistema de “empresa país” que dá a considerável liberdade aos

distritos de fabricar e vender vários produtos.

A CAAMS serve como uma função similar ao Laboratório Nacional, eles trabalham próximos

aos distritos testando a produção e trabalhando no marketing dos gaseificadores.

Os gaseificadores estão sendo vendidos na China em uma base limitada mas provavelmente seu

uso se expandirá rapidamente na China.

Seria conveniente para a China espalhar essa tecnologia em outros países. Isto iria requerer

testes em outros países e manuais de treinamento. A fabricação do gaseificador para exportação ou o

licenciamento da tecnologia em outros países é de grande interesse para a China. Entretanto existem

barreiras legais à China. Um método possível de resolver esse problema seria tornar-se uma entidade




intermediária confiável dentro dos Estados Unidos. A Universidade Twente na Holanda

executou está função no desenvolvimento do gaseificador de casca de arroz fora da Indonésia.

8.4 Danishy Techinical University

Descrição / Finalidade: Conversão de biomassa, sistemas experimentais.

País: Dinamarca

A Danish trabalha na combustão da palha usando pirólise seguido por combustão. Há também

projetos de pequenos gaseificadores e fogões domésticos limpos.

8.5 DKTechnik

Descrição / Finalidade: Agência Dinamarquesa de Energia, Gaseificadores de leito fluidizado,

gaseificador co-corrente estratificado, gaseificação da palha.

País: Dinamarca

Soren Houmouller estudou um conceito de gaseificação de leito fluido para converter palha,

madeira ou outro tipo de biomassa em um gás combustível em um motor de combustão interna. Assim

foi construída uma nova versão de leito fluido que é mais compacta e de fácil escala. O novo design

transformou o processo de leito fixo dois estágios em leito fluidizado. Esse gaseificador foi construído

e operado. Os resultados preliminares foram apresentados em Banff, Canadá, e receberam o “Poster

Award First Class” em Copenhagem em junho de 1997. Estão fazendo agora estudos de praticidade do

gaseificador.

Henrik Jakobson está trabalhando em um gaseificador co-corrente estratificado de 150 kW, ele

já conseguiu 100 horas de operação.

8.6 Indian Institute of Science, Bangalore

Descrição / Finalidade: Todos os aspectos da pesquisa, do desenvolvimento e da disseminação da

gaseificação na Índia.

País: Índia




A Índia criou um grande número de institutos de tecnologia para pesquisar e instruir

a tecnologia moderna, como o IIT Delhi, IIT Bombaim, etc. Criaram também o Indian Institute of

Science em Bangalore, que abriga o principal centro de pesquisa Aeroespacial. O Prof. Mukunda é a

cabeça de um grande grupo que trata principalmente da melhora dos processos de gaseificação em

pequena escala para ser usado na Índia.

Existem em desenvolvimento um grande número de gaseificadores, fogões e turbinas. Devido

ao fundo aeroespacial existe uma maior compreensão nos processos de combustão e de gaseificação do

que outros campos. A seguir, lista de alguns papers que demonstram o trabalho do IISc.

A Chama, A Temperatura e os Limites de Propagação da Chama para a Produção da Mistura Gás-Ar:

Resultados Experimentais.

Cálculos Teóricos dos Limites da Propagação da Chama para a Produção de Misturas de Gás.

Aspectos Fundamentais da Combustão e da Gaseificação de Biomassa e Combustíveis Gasosos

Derivados da Biomassa.

Na Combustão das Esferas de Madeira-Carbonizada em Misturas de O2 / N2.

Estudos Dinâmicos de Fluidos em Ejetores para Aplicações Térmicas em Gaseificadores.

A fim de que não se pense de que os trabalhos são somente teóricos, apresentaremos aqui uma

amostra do desenvolvimento de papers práticos:

Fogão de Madeira Portátil de Bandeja Única com Elevada Eficiência para o Uso Doméstico.

Gaseificadores de Madeira com Abertura no Topo.

IISc - Dasag Gaseificadores Co-Corrente para Plantas de Co-Geração.




Resultados do Programa Indo-Suíço para a Qualificação do Gaseificador de 300 kW do IISc

– Dasag.

O problema principal na gaseificação é a presença do alcatrão no gás, ele aumenta o custo e a

complexidade dos sistemas de gaseificação. O IISc desenvolveu um gaseificador que foi enviado a

Suíça, instalado e testado lá com resultados similares aos obtidos na Índia.

Além das atividades de gaseificação, a Sra. V. Gayathri publica o boletim de notícias da Rede

dos Usuários de Biomassa (BUN – Índia). Ela mantém também uma home page onde muitos dos

papers acima estão disponíveis. Em resumo, o IISc é o principal laboratório de gaseificação para

pequenos e médios gaseificadores.

8.7 Indian Institute of Technology, Bombay

Descrição / Finalidade: Pesquisa em motores e gaseificadores, gaseificador diesel duplo combustível

de 15 kW.

País: Índia

A Prof. Parikh é especialista em combustão do Departamento de Engenharia Mecânica do IIT

Bomabay. Por mais de uma década ela trabalhou para o governo indiano no Ministério das Fontes de

Energia Não Convencionais (MNES) para pesquisar e avaliar vários sistemas de gaseificação.

Ela orientou mais de doze teses de Ph.D e Mestrado. Seus equipamentos e instrumentações

superaram qualquer laboratório de pesquisa em gaseificação nos anos oitenta.

Alguns títulos são:

1. Operação Duplo Combustível de Motores a Ignição que Usam a Madeira Produzindo Gás

como Combustível Suplementar.

2. Projeto, Desenvolvimento e Testes de um Sistema de Gaseificação de Biomassa para

Aplicação em Motores.

3. Estudo do Alcatrão e das Partículas de Biomassa Baseando-se na Produção de Gás.

4. Projeto e Estabelecimento de Facilidades para Testes em Sistemas de Motores de

Gaseificadores de Biomassa.

5. Projeto, Fabricação e Testes de um gaseificador de alimentação contínua com casca de arroz.




6. Projeto, Desenvolvimento e Teste de um Gaseificador de Biomassa Contracorrente

de 30 kW.

7. Evolução do Desempenho de um Gaseificador em Operação com Motor Duplo Combustível.

8. Projeto e Desenvolvimento de um Queimador Industrial com Produção de Gás como

Combustível.

9. Evolução do Desempenho de um Gaseificador a Casca de Arroz.

10. Estudo da Praticidade do Uso de um Gaseificador Contracorrente para Gaseificação do Ar a

partir de Casca de Arroz.

11. Otimização de um Gaseificador a Casca de Arroz.

12. Efeito da Utilização da Produção de Gás com Exigências de Operação e de Manutenção dos

Motores da C.I. (estudos de desgaste).

13. Análise de Produtos com Proximidade a Biomassa e o Efeito das Taxas de Aquecimento na

Desvolatização de Biomassa.

14. Evolução do Desempenho e Otimização do motor da S.I. para uso de combustível gasoso.

15. Desenvolvimento e Testes do Motor S.I. para produção de Gás.

16. Análise do Pulverizador do Combustível com Baixas Taxas de Injeção Usando um Analisador

de Tamanho da Partícula.

O trabalho realizado no IIT Bombaim fez grandes contribuições à área de motores duplo

combustíveis. Uma mudança na aproximação é professada agora a respeito da porcentagem do diesel

(%DR). A maximização da %DR não é aconselhável tendo em vista que a quantidade mínima de

diesel não é decidida somente levando-se em consideração a combustão, mas é preciso considerar

também as características hidráulicas do sistema de injeção do combustível. Não há nenhuma

avaliação da taxa de carga do combustível, o processo da injeção se torna inconsistente com elevado

grau de irregularidades cíclicas. Isto conduz a uma operação instável e ineficiente do motor duplo

combustível.

A não uniformidade no interior do cilindro e nos parâmetros de injeção e do pulverizador em

taxas mais baixas da injeção são fatos bem estabelecidos. Esses fatos também alteram a performance

dos motores duplo-combustível.

Tal perda do desempenho geralmente é erradamente atribuída ao gás produzido e/ou ao projeto

do motor. O desempenho dos motores duplo combustível, em termos de realização da capacidade, das




emissões e da eficiência é imensamente influenciado pelo processo de injeção do

combustível. Tendo em vista esses fatos, a maximização da %DR necessita ser sempre acima e tem

que ser realizado um cuidadoso exame da taxa piloto mínima de diesel, um motor duplo combustível

não pode estar rodando em marcha lenta abaixo da carga mínima.

A Prof. Parikh coletou em torno de 3000 referências para uma base de dados “Estado da Arte e

Pesquisa sobre Gaseificação de Biomassa”.

O IIT Bombaim é um dos principais laboratórios de gaseificação de pequena escala e

particularmente na operação do motor.

8.8 KTH (kungl Tekniska Hogskolan, the Royal Institute of Technology)

Descrição / Finalidade: Pesquisa sobre todos os aspectos de gaseificação.

País: Suíça

O governo suíço viu com grande entusiasmo por diversas décadas a energia de biomassa, eles

possuíam grandes recursos florestais, já que são grandes produtores de papel e de móveis. A KTH

possui trabalhos no campo da gaseificação e da combustão, possui laboratórios bem equipados. Eles

possuem uma importante lista de publicações feitas na última década por instituições de pesquisa sobre

gaseificação.

A KTH possui 36 papers listados, como:

Rápida Pirólise do Bagaço, do Açúcar de Cana e Resíduos da Banana.

Equipamento para Quebra por Pirólise do Gás de Biomassa

Características do Alcatrão do Carvão / Gaseificação de Biomassa

Reforma do Vapor com Catalisador de Níquel no Gás de Gaseificação de Biomassa

8.9 National Renewable Energy Laboratory (NREL, anteriormente SERI)

Descrição / Finalidade: Gaseificador co-corrente ar / oxigênio, laboratório de análises.

País: USA

A NREL estudou e construiu um gaseificador de alta pressão de oxigênio que foi

comercializado mais tarde pela Syngas Inc.




Atualmente a divisão da energia de biomassa opera O Uso Facilitado da Química

Térmica, disponível à indústria para testar vários aspectos de gaseificação. Eles possuem também um

laboratório de motor para testar sistemas de pequeno porte. Há um Espectômetro de Massa de Feixe

Molecular para estudar os vapores orgânicos e inorgânicos encontrados no alcatrão, nos óleos e nos

gaseificadores.

O Laboratório Nacional da Energia Renovável (NREL), é o principal centro dos Estados

Unidos para a pesquisa de energias renováveis, foi estabelecido pelo Ato de Pesquisa e

Desenvolvimento de Energia Solar de 1974. Chamado originalmente de Instituto de Pesquisa de

Energia Solar (SERI), o NREL começou a operar em julho 1977 e foi designado um laboratório

nacional do Departamento dos Estados Unidos de Energia em setembro 1991. O NREL está

desenvolvendo novas tecnologias de energia para beneficiar o ambiente e a economia, conduzindo a

pesquisa em aproximadamente 50 áreas de investigação científica. As áreas de pesquisa incluem os

fotovoltaicos, a energia do vento, combustíveis derivados de biomassa, produtos químicos e elétricos,

edifícios eficientes em energia, veículos avançados, processos industriais, sistemas térmicos solares,

produção de hidrogênio, células de combustível, supercondutividade, geotérmico e tecnologias para

evitar o desperdício de energia. A missão do NREL é conduzir a nação para um futuro sustentável de

energia desenvolvendo tecnologias da energia renovável, melhorando a eficiência da energia,

relacionando o avanço da ciência com a engenharia, e facilitando a comercialização.

A conversão termoquímica da energia renovável de biomassa foi investigada pelo NREL desde

seu começo. Os engenheiros e os cientistas do NREL no Centro do Sistema de Bioenergia e Química

apresentaram diversas técnicas associadas a conversão de alimentos em produtos valiosos, como

combustível, produtos químicos e eletricidade, assim como as técnicas e a instrumentação analítica

para caracterizar os processos e para abastecer os colaboradores no setor privado com as informações

de controle do processo.

Uma destas técnicas únicas, expansão livre de jato, Espectômetro de Massa de Feixe

Molecular, foram desenvolvidas pelo Instituto de Pesquisa do Meio Oeste, transferido ao SERI por

Tom Milne, e continuamente do SERI ao NREL. O estudo em laboratório de alta temperatura, pressão

atmosférica envolvendo a instabilidade química, reação e condensação de espécies foi uma parte

significativa do esforço do NREL. O Espectômetro de Massa de Feixe Molecular é usado em estudos

da variedade de sistemas reativos a pressão ambiente. Os exemplos incluem a destruição solar e




térmica de gases tóxicos, pirólise seletiva de plásticos misturados para recuperação de

produtos químicos valiosos, estudo da catálise das reações, tais como a quebra e reforma dos vapores

de alcatrão do gaseificador, caracterização de vapores alcalinos da combustão da biomassa,

gaseificação da biomassa e do licor negro e pirólise analítica de biomassa e de produtos de biomassa

para a seleção rápida da composição. O uso extensivo das várias análises do complexo espectro de

massa é uma ferramenta na interpretação de dados do Espectro de Massa de Feixe Molecular para

fornecer as circunstâncias que minimizem os impactos ambientais dos intermediários e dos produtos.

Diversas técnicas como, jato livre, sistemas da amostragem do Espectro de Massa de Feixe

Molecular são usados no NREL. Um é um instrumento do laboratório com um analisador de massa

triplo e quádruplo para a identificação do espectro de massa dos íons isobáricos. O NREL tem também

um ionizador de fóton, um amostrador de feixe molecular, um sistema de espectro de massa e dois

sistemas transportáveis com um único analisador de massa quádruplo. Os sistemas transportáveis são

projetados para permitir a amostragem em campo dos efluentes, das exaustões, dos vapores e dos gases

do processo, etc e para o uso no laboratório. Atualmente os esforços são focalizados em fazer sistemas

de estojos transportáveis mais compactos e mais barato realçando a potencialidade e a disponibilidade

do Espectro de Massa de Feixe Molecular para monitorar e controlar o processo.

Além do que o espectro de massa nos instrumentos de linha que estão sendo avaliados, perto do

espectro do infravermelho está sendo desenvolvido também a rápida caracterização em linha das

propriedades físicas e químicas da biomassa. O NREL está executando também a pesquisa que faria

possível medir propriedades mecânicas da madeira informando a situação do espectro químico. Várias

técnicas de espectro infravermelho foram usadas para estudar a madeira compacta, vários constituintes

da madeira, os mecanismos de extração da lignina e os processos do envelhecimento da madeira. Na

busca de medidas técnicas que caracterizassem a madeira e o papel foi desenvolvido o Near InfraRed

(NIR), uma técnica que pode analisar amostras tão rapidamente quanto espectro convencional sem a

necessidade de preparação da amostra. As vantagens principais desse método são que a instrumentação

é mais barata e os espectros da escala podem ser obtidos no material contínuo rapidamente sem quase

nenhuma preparação da amostra. Por estas razões o NIR é muito bom para estudos e para em

aplicações on-line.

A Química para o Centro dos Sistemas de Bioenergia da NREL, através da sustentação do

Departamento de Energia dos Estados Unidos, fornece também o estado da arte através do Laboratório




de Termoquímica para Usuários para converter biomassa em uma variedade dos produtos,

incluindo a eletricidade, produtos químicos de elevado valor e transporte de combustíveis. O

Laboratório de Termoquímica para Usuários pode ser configurado para acomodar os testes e

desenvolver vários reatores, filtros, catalisadores, ou outras operações da unidade. As escalas variam

de 0,1 Kg/hora para reatores de escala de bancada a 20 Kg/hora na nova Unidade de Desenvolvimento

de Processos Químicos. Os usuários podem obter dados extensivos do desempenho de seu processo ou

equipamento, rapidamente e com segurança com um pequeno investimento de tempo e do dinheiro.

Os clientes dispõem de equipe de funcionários experientes do NREL, os cientistas e

coordenadores podem planejar e conduzir experiências e interpretar dados usando as últimas técnicas

estatísticas. Os clientes tomam decisões de negócio oportunas e suas informações são baseadas na

engenharia e em dados científicos para expor rapidamente seus produtos no mercado. Muitas

companhias têm se beneficiado diretamente com o acesso aos reatores e às potencialidades analíticas

do NREL.

A Unidade de Desenvolvimento de Processos Químicos e os laboratórios do NREL podem

analisar produtos em linha sobre um largo espectro de composições químicas usando os instrumentos

analíticos delicados operados por técnicos e por cientistas treinados. O sistema de controle do processo

avançado da Unidade de Desenvolvimento de Processos Químicos é interconectado com o computador

de controle do instrumento analítico para criar uma única base de dados integrada. A análise do

computador da Chemometric com todos os dados coletados pode ser usada para o otimizar processos

rapidamente.

Uma recente adição do Laboratório de Termoquímicas para Usuários do NREL é um teste de

motor para investigar os desafios associados com o gaseificador integrado com equipamentos de

geração para dar forma aos sistemas integrados de gaseificação. Além de abastecer células de

combustível, os sistemas integrados de gaseificação incluem turbinas a gás, turbinas modulares, assim

como os motores Stirling e diesel. Estes dispositivos podem ser todos integrados com o gaseificador de

biomassa para uma maior eficiência, diminuindo a emissão de CO2 dos sistemas. O NREL pode

simular uma variedade de condições de gaseificação e de teste, lado a lado com as unidades dos

equipamentos de geração.

O mercado e os fatores regulatórios ditarão se os sistemas integrados têm o melhor custo e os

benefícios ambientais para uma dada aplicação. O NREL pode desenvolver e testar reatores e




configurar sistema que removem contaminadores, e demonstrem seu desempenho operando

sistemas integrados de gaseificação.

O NREL usa também dois tipos de processos de análise para fornecer o sentido, o foco e a

sustentação ao desenvolvimento e a comercialização de tecnologias termoquímicas para a conversão

de várias biomassas. As análises técnicas e econômicas são executadas para determinar o potencial de

viabilidade econômico do processo da pesquisa. A praticidade econômica de um projeto pode ser

avaliada considerando-se o custo de um dado processo comparado à tecnologia atual. Estas análises

podem conseqüentemente ser úteis em determinar que tecnologias emergentes têm um maior potencial

para sucesso de pequeno, médio e longo prazo. Os resultados das análises técnicas e econômicas são

úteis também para direcionar a pesquisa para as áreas em que as melhorias resultarão em maiores

reduções de custo. Enquanto a economia de um processo é avaliada durante todo a vida do projeto, o

avanço para o objetivo final de comercialização pode ser medido. As análises técnicas e econômicas

determinaram a praticidade técnica e econômica de sistemas baseados em várias biomassas, incluindo

a combustão direta, a pirólise, o ciclo de gaseificação combinada e gaseificação integrada de células de

combustível.

A segunda ferramenta de análise, a análise do ciclo de vida, é um método analítico para

identificar, avaliar e minimizar os impactos ambientais das emissões dos recursos associados com um

processo específico. Quando tal avaliação é executada em conjunto com um estudo de praticidade

técnica e econômica, os benefícios totais e os inconvenientes econômicos e ambientais de um processo

podem ser quantificados. Os balanços materiais e de energia são usados para quantificar as emissões, o

esgotamento de recurso, e o consumo de energia de todos os processos requeridos para fazer o

processo de interesse operar-se, incluindo a extração do material cru, o processamento e a eliminação

final dos produtos. O resultado deste inventário é usado para avaliar os impactos ambientais do

processo de modo que os esforços possam ser focalizados em atenuar estes efeitos. Os estudos da

análise do ciclo de vida foram conduzidos em um sistema combinado de gaseificação de biomassa, três

sistemas carvão – fogo, sistemas de combustão direta e um sistema biomassa / carvão. Os estudos da

análise do ciclo de vida de sistemas de biomassa de pequena escala e os sistemas de gás natural são

planejados para um futuro próximo.

Estes estudos do ciclo de vida sofreram uma significativa revisão com a participação de vários

peritos. As análises do ciclo de vida forneceram uma ótima maneira de amarrar os benefícios




ambientais de sistemas de biomassa e outros usos da biomassa com a produção

convencional de energia e de materiais, desenvolvimento econômico e sustentabilidade.

8.10 Ministério da Agricultura da República Popular da China

Descrição / Finalidade: Avaliação da potencialidade da biomassa na China e pesquisa sobre

gaseificação nas vilas chinesas.

País: China

O Departamento de Energia dos Estados Unidos e o Laboratório Nacional da Energia

Renovável (NREL) têm trabalhado com o Ministério da Agricultura da República Popular da China

sob o Anexo I da Eficiência de Energia e do Protocolo da Energia Renovável assinado entre os

Estados Unidos e a China em 1995. Este trabalho resultou em um conjunto significativo de informação

sobre os recursos de biomassa, um descrição do potencial tecnológico da China em algumas áreas de

conversão de biomassa, e uma avaliação inicial do potencial de alguns sistemas de biomassa e

bioenergia.

Os dados gerados foram publicados pela NREL em inglês (Overend, 1998) e pela China como

um original bilíngüe de 3 volumes com um CD-ROM (MOA / DOE, 1999).

8.11 Shandong Energy Research Institute (Projetos de Gaseificação em Vilas)

Descrição / Finalidade: Desenvolvimento do sistema de gaseificação em vilas.

País: China

A metade da população do mundo vive em vilas com população inferior a 1000 pessoas,

tipicamente sem eletricidade, gás, água corrente ou refrigeração. Estes povos geralmente queimam

várias formas de biomassa, de forma ineficiente e tóxica. Na província isolada de Shandong vivem 67

povos em 90.000 vilas. A Academia de Ciência de Shandong desenvolveu um gaseificador que faz e

armazena o gás produzido que poderia, no princípio, fornecer todas as necessidades de biomassa a

civilização. O Ministério da Agricultura da China e o Departamento de Energia dos Estados Unidos –

NREL, tem um programa em comum para executar o uso da biomassa em vilas e ao nível nacional.

Para a gaseificação na vila, a palha do milho, a palha do trigo ou outras biomassas com MC <




20% são reduzidas ao comprimento de 10-15 milímetros e alimentados no gaseificador por

um alimentador. Um ventilador extrai o ar do gaseificador, através do ciclone, do refrigerador e do

filtro e emite para o retentor de gás. A pressão negativa do gaseificador permite sua operação com o

topo aberto, ajudando o carregamento e o picador. O retentor de gás controla a produção e o consumo

do gás e serve como um manômetro mantendo uma modesta pressão para a distribuição. O gás é

ajustado à rede dos encanamentos e distribuído a cada casa para cozinhar.

A China produz 600M toneladas de palhas por ano, muita dessa palha é queimada no campo,

assim o governo esteve interessado particularmente em usar palha da colheita para a geração de

energia nas vilas. As densidades de diversos materiais de biomassa são mostradas na Tabela 8 onde se

vê que as palhas têm densidade muito baixa.

Tabela 9. Densidade de Combustíveis Selecionados de Biomassa

Combustível Densidade – kg/m³

Madeira Dura 220

Madeira Macia 250

Carvão de Lenha 150-230

Espiga de Milho (11% MC) 304

Palha de Algodão (23% MC) 340

Palha de Milho (10-15 mm) 67

Palha de Milho (10-15 mm) 25

A pequena densidade da maioria dos combustíveis faz com que a coleta e o armazenamento da

biomassa seja difícil para a palha. A capacidade de calor na zona da oxidação é extremamente reduzida

resultando em uma gaseificação instável. O ângulo do repouso da palha do milho cortado a 10-15

milímetros é 90º e tem maior uniformidade que o da palha do trigo, de modo que a palha não abaixa

facilmente devido à gravidade. Após a pirólise o volume da palha do milho é reduzido a 50-55% e a

palha do trigo é reduzida 80% devido à maciez do carvão de lenha da palha. A palha da colheita tem

também severos problemas de escorificação devido a seu índice de cinza elevado. Outros combustíveis

foram testados também com resultados positivos.

A pesquisa em Shandong foi conduzida para superar estes problemas. Dois modelos de




gaseificadores para palha da colheita de nome XFF-1000 (1000 MJ/h) e XFF 2500 (2500

MJ/h) foram desenvolvidos e testados com os resultados mostrados na Tabela 9. As unidades

produzem um gás de baixo Btu com índice de alcatrão e de poeira abaixo de 100 mg/Nm³.

Tabela 10. Propriedades do Gaseificador de Palha XFF

XFF – 1000 XFF – 2500

Gás de Saída, Nm³/h 216 524

Gás LHV, kJ/Nm³ 5327 5215

Energia na Saída, MJ/h 1151 2733

Eficiência de Conversão, % 73.9 73.1

Relação de alimentação do gás, m³/kg 1.90 1.92

Três sistemas de demonstração foram construídos e postos em uso e outros quatro sistemas

estão sendo construídos. O gás do primeiro sistema foi fornecido a 94 casas, foi construído em

Outubro de 1994 e funcionou por 16 meses. Os sistemas servem entre 90 e 268 casas, fornecendo de

540 a 1500 Nm³/dia. Os gasômetros são todos de 250 Nm³ exceto um de 80 e um de 280. Mantêm a

pressão da água em 30 cm (12 polegadas da coluna de água). O encanamento mais longo tem 680

medidores. Consomem 280 a 800 kg/dia da palha. A família média de 3,8 pessoas consome 6 Nm³ de

gás por dia, na hora da refeição. O gaseificador é projetado para operar no almoço e no jantar, isso

diminui o tamanho do gasômetro requerido, que é a parte mais cara do sistema.

Cada sistema tem um campo para armazenamento da palha de colheita, uma estação de

gaseificação e uma rede de encanamentos. Diversos coletores líquidos ficam situados nos

encanamentos para remover a água que se condensa ocasionalmente na tubulação. As tubulações são

feitas de PVC e de PP e coladas no subterrâneo.

Muitas pessoas acreditam que o baixo poder calorífico do gás produzirá temperaturas baixas na

combustão, mas o Instituto Shandong mostra que o baixo poder calorífico do gás produzido não

interfere tanto assim nos resultados, isto porque uma grande quantidade de ar é misturada com todos os

gases combustíveis para a combustão estequiométrica portanto as variações no índice de energia são

menores. O cálculo da temperatura máxima de combustão para misturas corretas de vários gases

combustíveis são mostrados na Tabela 10.




Tabela 11. LHV de Vários Combustíveis e Temperaturas da Chama

Gás LHV Ar Esteq/Combustível Mistura LHV Temp. Combustão

(MJ/Nm³) (m³/m³) (MJ/m³) (ºC)

Gás Natural 36.5 9.64 3.44 1970

Gás de coque 17.6 4.21 3.38 1998

Gás Misturado 13.9 3.18 3.31 1986

Biogás 21.2 5.65 3.19

Gás da Geração 5.7 1.19 2.61 1600

Gás da Palha 5.3 0.9 2.80 1810

Na tabela se vê que o valor do aquecimento estequiométrico não tem um efeito principal na

temperatura da chama do gás, mesmo havendo uma redução significativa no poder dos motores e no

custo das longas distâncias de encanamento por gás produzido (geração). As fazendas chinesas

costumam ter uma típica densidade de população de 10.000 pessoas/km² enquanto se tem uma

densidade da população nas vilas de 3.000 pessoas/km² como em uma cidade como Hinan, capital da

província de Shandong, isso faz com que as distâncias de distribuição não sejam grandes.

A eficiência testada em um fogão a gás é de 50-53%. A eficiência do sistema de gaseificação é

de 73%. Conseqüentemente a eficiência total do cozimento é de aproximadamente 37%. Os fogões

convencionais que queimam a palha têm uma eficiência direta de 10% e o novo modelo tem de 15-

20% de eficiência.

O custo dos sistemas da demonstração do novo modelo variou de CS$ 160-476 mil ou de CS$

1800-2700/casa. Uma família típica tem uma renda de CS$ 1500 sendo assim é difícil encontrar uma

pessoa disposta a pagar este preço para cozinhar melhor. Atualmente o LNG custa a aproximadamente

CS$ 30 por mês para cozinhar, os briquetes de carvão custam aproximadamente CS$ 20 e o gás do

gaseificador da palha custam aproximadamente CS$ 20 por mês.

8.12 Sherebrooke, University of & Kemestrie Inc.

Descrição / Finalidade: A Universidade dirige pesquisas em fundamentos e treinamentos em energia.

País: Canadá




A Universidade de Sherbrooke é relativamente nova e tem laços fortes com a indústria

canadense. A Kemestrie ajuda a facilitar a comercialização do trabalho que é executado pela

Sherbrooke realizados pelo Prof. Charnet e colegas. Uma pesquisa de leito fluidizado está operando

em Kemestrie Inc. Visto que a maioria dos leitos fluidizados são focalizados em aplicações de grande

escala, a unidade de Sherebrooke / Kemestrie está procurando aplicações de médio porte e encontrou

algumas (veja abaixo) .

O leito fluidizado PDU é modelado no gaseificador original da Biosyn, é muito flexível e está

disponível para testar várias aplicações de leito fluidizado de pequena escala. O consumo de biomassa

é menor que 10 toneladas/hora. A área do leito de areia tem 30cm de diâmetro interno por 60 cm de

altura (no descanso). O gaseificador tem 4m de altura. A biomassa entra através de um pequeno

alimentador Sund. 80% do ar entra através de 8 canais, e 20% do ar entra através do sistema da

alimentação. 5% da transferência de calor às partículas é por radiação, 95% por convecção.

O gás que sai do gaseificador passa através de dois ciclones e então através de um sistema de

limpeza. Os instrumentos de instalação fazem uma variedade de medidas.

A propriedade intelectual gerada por Biosyn Inc. foi transferida em 1989, por Nouveler, ao

Centro de Valorização de Biomassa de Quebecois (CQVB), uma corporação provincial. O CQVB, sob

a liderança de M. Risi viu uma oportunidade de perseguir atividades de gaseificação na área ambiental.

A floresta e os resíduos da agrucultuira, MSW (resíduos sólidos municipais) e mesmo os desperdícios

industriais, constituem estoques de biomassa de baixo custo que eram disponíveis mundialmente em

pequenos locais. O CQVB lançou um programa para direcionar a tecnologia para projetos ambientais

de pequena escala. O CQVB pediu a participação da Universidade de Sherbrooke para provar que tal

aproximação era técnica, ambiental e economicamente possível. Um programa de pesquisa começou

em 1990 na Universidade de Sherbrooke, foi conduzido por E. Charnet. O programa centrou-se em um

gaseificador de 50 kg/hora a IREQ teve a autorização para realizar a pesquisa em nome da Biosyn. O

gaseificador foi transferido para a Sherbrook.

Desde 1990, e com a sustentação de agências federais e provinciais tão bem como grupos

privados, a Universidade de Sherbrook tinha conduzido um programa de pesquisa focalizado em um

fundo de sustentação para o “conceito de gaseificação de pequena escala” identificado como o nicho

de mercado. Em 1993, uma companhia da Universidade de Sherbrook, Kemestrie Inc., foi formada




para avançar na comercialização dos processos de biomassa e nos produtos desenvolvidos

pelos pesquisadores da universidade e dirigidos por E. Chornet. Em 1995, uma unidade de 100 kg/h,

foi instalada em uma planta metalúrgica em Quebeck, Canadá.

Em 1996 um acordo foi alcançado entre a Kemestrie Inc, conduzido por P. Laborde e

Biothermica Ltd, conduzido por G. Drouin, para trabalharem juntos na comercialização da tecnologia

da Biosyn que, além da propriedade intelectual gerada nos anos 90, compreende o conhecimento e as

patentes relacionadas à limpeza do gás quente desenvolvidas pela Kemestrie e pela Biothermica

durante os anos 90. A energia e a divisão ambiental da Kemestrie Inc, conduzida por N. Abatzoglou,

visa o mercado de pequena capacidade (< 5 toneladas/hora) visto que os centros da Biothermica tem

seus esforços voltados no mercado de grande capacidade de conversão de energia.

Resumo do Processo

O objetivo deste processo é a gaseificação dos resíduos para a produção de um gás com baixo

poder calorífio através de um gaseificador de leito fluidizado (nominal) escala piloto de 50 kg/h.

Desde novembro 1990, três tipos de resíduos tem sido gaseificados: madeira (lignina celulose), uma

mistura da madeira (90% em peso) e de plásticos (polietileno, polipropileno, 10% em peso), e uma

mistura de madeiras (85,5% em peso), plástico / tecido (10% em peso), composição de materiais (3%

em peso) e de materiais inorgânicos (1,5% em peso). O processo inteiro é testado e preparado para a

escala de até 1 tonelada/hora. Quando a escala está acima da versão o gás fornecido é de baixo poder

calorífico e é usado na geração do calor da eletricidade e/ou do processo.

Descrição

A planta de gaseificação da Universidade de Sherbrook situada perto da Vila Drummond,

Quebeque, Canadá é um desenvolvimento da planta de gaseificação pressurizada de leito fluidizado de

10 toneladas/hora (16 Bar) da Biosyn desenvolvida nos anos 80 para a produção do gás de síntese dos

materiais lignina e celulose. O gaseificador da Biosyn foi operado uns cinco anos e os testes foram

conduzidos usando um motor a diesel usando o gás produzido. Aproximadamente 680 horas de

experiência foram feitas usando o motor a diesel abastecido com o gás produzido. Antes do uso no




motor a diesel, o gás era limpo tendo por resultado volumes grandes da água suja. O projeto

da Biosyn foi interrompido em 1988. O desenvolvimento da Universidade de Sherbrook do

gaseificador começou em 1990. Os testes de gaseificação começaram em setembro 1990.

O gaseificador de 50 kg/h usado para pesquisa pela Universidade de Sherbook foi usado

previamente como uma unidade de sustentação para o projeto da Biosyn. O funcionamento original foi

fornecido pelo Centro de Valorização de Biomassa de Quebecóis (CQVB), Distech Inc. e Canmet. A

Distech é uma companhia que deseja desenvolver uma planta de gaseificacão de 1 tonelada/hora para

converter MSW o gás de baixo poder calorífico para o uso em estufas vizinhas. A Distech está

envolvida com o projeto da Universidade de Sherbrooke que atualmente aluga o edifício que abrigou o

gaseificador

A universidade de Sherbook está atualmente negociando com uma companhia de tratamento

dos resíduos em Sherbrook para relocar o gaseificador da Sherbrook.. A companhia de redução dos

resíduos é mais próxima à Universidade de Sherbrook, e poderá fornecer em larga escala os materiais

desperdiçados para o teste no gaseificador, incluindo a borracha.

Os alvos do projeto da pesquisa começadas em 1990 eram:

• Demonstrar que a gaseificação é uma opção viável, tecnologicamente e economicamente, para

a conversão dos resíduos em energia,

• Investigar a praticidade de reformar o alcatrão a alta temperatura e a remoção de

contaminadores gasosos indesejáveis (halogênios e os vapores de metal),

• Testar o equipamento de filtração a alta temperatura,

• Desenvolver balanços de materia e de energia,

• Determinar emissões em função do tipo de biomassa,

• Estudo da compatibilidade do gás com as turbinas ou com motores a diesel.

• Estabelecer estimativas de custo para unidades de pequena e média escala (1-10 t/h) visando a

co-geração.

Processos Existentes




Figura 22. Gaseificador de Leito Fluidizado da Universidade de Sherbrooke

Esta seção descreve a planta de gaseificação de 50 kg/h de escala piloto da Villa Drummond,

Quebeque. Um diagrama da planta de gaseificação de Sherbrooke está na Figura 21 os dados reais do

processo estão apresentados na Tabela 11 (restos de madeira) e 12 (MSW estoque de biomassa). 80%

do ar da reação entra no gaseificador através da placa de distribuição na base do gaseificador,

enquanto que o restante entra através do sistema de alimentação para impedir com o que o fluxo de

gases volte para trás do funil de alimentação. O ar é fornecido por um ventilador.

A partida leva aproximadamente 20-30 minutos. A partida é realizada usando um único

queimador de propano que é usado para aquecer o ar da entrada na placa de distribuição do

gaseificador (ver Figura 21). Quando a temperatura do leito alcançou 400ºC, a alimentação é

introduzida no leito, que é queimado com ar adicional para elevar a temperatura do leito para

aproximadamente 800ºC. Quando a temperatura do leito é alta, a relação de equivalência está ajustada

a aproximadamente 30% e a operação começa.

O reator é um gaseificador de leito fluidizado borbulhante com diâmetro interno de 305

milímetros. A maior altura do leito testada teve relação de diâmetro 2, e a menor relação de diâmetro

foi 1. A altura do leito é de 45 cm (a altura do leito a uma relação do diâmetro de 1,5). O leito é

composto de areia embora se pretenda testar o efeito no índice do alcatrão do gás produzido com a




adição da dolomita e do uso de um leito composto de areia básica.

A relação de equivalência usada está na escala 25-35%. Geralmente, é aconselhável operar com

uma relação de equivalência de 30%. Esta relação de equivalência é um pouco mais elevada do que

aquela usada no gaseificador da SEI que opera com uma relação de equivalência de aproximadamente

25%. A maior relação de equivalência resulta em um menor índice de alcatrão do gás comparado com

o gaseificador da SEI.

O reator não incorpora nenhum sistema de reclassificação do leito. A pressão do leito é

monitorada continuamente e aumenta-se a níveis aceitáveis, a seguir aumenta-se a taxa de fluxo do ar

para fundir sobre toda a cinza nos ciclones para a posterior remoção.




Tabela 12. Dados Existentes do Processo de Gaseificação da Madeira [Jollez, 1991]

Processo tipo Gaseificação

Principal biomassa testada Resíduo de madeira

Outras biomassas testadas Mistura de Madeira (90% em peso) & plásticos

(10% em peso)

Produto Principal Gás com baixo poder calorífico

Rendimento do Produto Principal 1.85 Nm³/kg de biomassa alimentada

Biomassa introduzida 39.1 kg/h

Reator tipo Leito Fluidizado

Pressão inicial do reator 1 bar

Temperatura inicial do reator 700-800ºC

Reagente Ar

Taxa de entrada do reagente 47.2 Nm³/h

Relação de equivalência 27.3 %

Tabela 13. Dados dos Processos Existentes da Gaseificação Livre do Vidro e do Metal MSW

[Jollez, 1991]

Processo tipo Gaseificação

Biomassa Principal Lanugem

Produto Principal Gás com baixo poder calorífico

Rendimento do Produto Principal 1.7-2.4 Nm³/kg de biomassa alimentada

Principal Uso do Produto Menos em escala piloto

Biomassa introduzida 23.2-26.2 kg/h

Reator tipo Leito Fluidizado

Pressão inicial do reator 1 bar

Temperatura inicial do reator 700-800ºC

Reagente Ar

Reação de equivalência 24.3-32.2 %

Taxa de fluxo do líquido




desperdiçado (alcatrão) 0.03-0.04 kg/kg de biomassa alimentada

Taxa de fluxo do sólido

desperdiçado (queima) 0.01-0.03 kg/kg de biomassa alimentada

Depois do gaseificador, dois ciclones são usados para remover todos os sólidos do gás (ver

Figura 21) [Jollez, 1991]. O resultado da combustão do primeiro ciclone pode ser injetado novamente

no topo do leito fluidizado (no mesmo nível que o ponto da alimentação superior). Pouco trabalho foi

realizado, entretanto, investigou-se a combustão do reciclo. Além disso, na combustão do reciclo é

aconselhável que o diâmetro da tubulação seja muito pequeno. Durante a operação, a queima dos

ciclones é descarregada em depósitos de armazenamento para uma eliminação tardia.

Modificação de Planejamento, Desenvolvimentos, Extensões.

Um projeto de pesquisa do laboratório começou a investigar a quebra catalítica dos alcatrões no

gás produzido usando um reator de leito fixo. Depois da conclusão da pesquisa do laboratório, um

filtro de areia e uma quebra catalítica serão adaptados na planta piloto nos dois ciclones existentes. A

quebra catalítica processará somente 20% do gás total produzido no gaseificador para permitir a

avaliação da eficiência da quebra que deve ser feita.

Biomassas e Caracterização

Três programas com vários tipos de teste foram realizados usando três tipos de biomassa. As

composições das três biomassas são mostradas na Tabela 13. Biomassa A, consiste em restos de

madeira (serragem), a Biomassa B consisti em serragem mais plásticos adicionados. A Biomassa C

consiste em tiras (principalmente de papel e cartão). Toda saída pode ser obtida usando na

alimentação restos de madeira. Como nota-se acima, os problemas de alimentação restringem-se ao

desempenho do gaseificador ao operar usando MSW.




Tabela 14. Composição das Biomassas [Jollez, 1991]

Biomassas A B C

% peso % peso % peso

Lignina Celulose 100 90 72.5

Plásticos 0 10(1) 10(2)

Material Compostável 0 0 3

Materiais Inorgânicos 0 0 1.5

(1) Incluindo polietileno e polipropileno (2) Incluindo têxteis

A biomassa é moída e cortada em tiras de dimensão característica de menos de 1 cm. O

gaseificador opera usando serragem (< 2 milímetros). O índice de umidade médio da madeira (índice

de umidade da biomassa A) é 12% enquanto as tiras de lanugem de MSW (Biomassa C) obteve um

índice de umidade de aproximadamente 20%. Na biomassa em que a preparação é relatada é essencial

assegurar taxas de alimentação e composição uniforme do gás produzido.

Produtos

Características do Gás

O produto deste processo é um gás de baixo poder calorífico que tem um poder calorífico mais

elevado (carbono, alcatrão e umidade livre) de 6,1 MJ/Nm³ que corresponde à alimentação

aproximadamente 13,8 MJ/kg de biomassa seca. A composição do gás e as características reais dos

gases produzidos usando as três biomassa são mostrados na Tabela 14.

O gás produzido (de MSW) requer tratamento antes do uso em um motor porque contém

muito carbono residual (aproximadamente 1,5% pela massa de MSW seco) e alcatrão (entre 2,8 e

3,8% pela massa de MSW seco).

Performance




Um diagrama de fluxo do processo baseado nos resultados que usam MSW como biomassa foi

desenvolvido. Os balanços de massa e de energia para a gaseificação de 1 tonelada/hora de MSW

baseado nos resultados obtidos nos testes de gaseificação usando 50 kg/h na planta piloto são

mostrados na Tabela 15.

Tabela 15. Sumário das Características Reais do Gás [Jollez, 1991]

Biomassas A B C Unidade

Volume seco da composição do gás % % %

Hidrogênio 9.8 8.2 5.3

Monóxido de Carbono 15.8 11.4 12.1

Dióxido de Carbono 16.1 16.8 15.6

Metano 6.1 6.2 2.6

C2+ NR NR 4.5

Oxigênio 0.8 0.8 1.1

Nitrogênio 51.5 56.8 53.7

Taxa de saída do gás (seco) 89.5 58.8 19.5 kg/h

Temperatura da saída do gás do sistema 780 NR 740 ºC

Maior valor de aquecimento 6.2 5.8 6.1 MJ/Nm³

NR – não reportado

O rendimento experimental determinado do gás produzido na gaseificação da madeira é de

aproximadamente 2,3 kg/kg de biomassa alimentada quando o rendimento do gás da gaseificação de

MSW é de aproximadamente 2,6 kg/kg de biomassa seca.

Emissões

Gás

Este processo não produz nenhuma emissão gasosa, pois todos os gases do sistema dão forma




ao produto.

Emissões líquidas

O gás produzido contém entre 2,8 e 3,8% de massa seca de MSW alimentada do alcatrão.


As análises estão sendo realizadas para estudar a reforma catalítica dos alcatrões (estudados

usando o naftaleno como um composto modelo) em temperaturas similares à temperatura da saída do

gás do gaseificador de leito fluidizado.

Tabela 16. Balanços de Massa e de Energia sobre Gaseificação

Balanço Massa Balanço Energia kg MJ

Entrada: Base – 1000kg MSW alimentado

MSW 1000 14800

Ar 1517 0

Saída

Gás Quente 2432 12563

Queima 85 2237

Fechamento, % 100 100

Resfriamento do Gás

Base: 1000 kg MSW alimentado Entrada Saída

Gás Quente 2432 12563

Condensado 338 3473

Gás Frio 2094 9090

Fechamento, % 100 100

Eficiência do Gás Quente, % 84.9

Eficiência do Gás Frio, % 61.4

Sólido




Emissão de Sólidos

O gás produzido contém aproximadamente 1,5 % (de massa seca alimentada) do carbono

residual fino.


O gás produzido passa através de dois ciclones antes do uso para remover todos os particulados

(ver Figura 21). A eficiência da bancada de ciclones é considerada baixa (eficiência não relatada). A

remoção de mais partículas seria necessária se o gás fosse usado para ser usado no motor.

Custos Importantes

Dos balanços material e de energia mostrados na tabela 15, as estimativas de custo para uma

instalação de um protótipo de co-geração que trata 1 tonelada/hora de MSW foram executados. As

estimativas de custo foram realizadas para um esquema de gaseificação que incluísse o gás refrigerado,

sistema de limpeza e o equipamento de filtração (o filtro /o equipamento de reforma não estão

disponíveis ainda) para a produção de eletricidade usando um motor. Um tonelada de MSW (base

seca) é estimado para gerar 0,76 MWh (elétrico) e um mínimo de 3300 MJ disponíveis como a água

quente ou vapor. O uso do gás quente limpo/reformado dobrará a quantidade de calor disponível no

processo.

O custo total do capital (novembro 1991) para o sistema de um 1 tonelada de MSW/hora na

alimentação para o esquema de co-geração é estimado em US$ 1.9 milhões (Can$ 2.25 milhões).

Custos de Operação

Os custos importantes de funcionamento de US$ 211.000 (Can$ 250.000) são estimados para

uma planta de 1 tonelada de MSW/hora (novembro de 1991).

Produto ou Custos de Produção

As estimativas para os custos da produção de eletricidade de uma planta de 1 tonelada

MSW/hora são relatadas presumido-se que o investimento inteiro é financiado através de taxas de

juros que variam entre 10 e 14%. Os resultados mostram que o MSW requerido derruba a taxa em

função do preço da eletricidade. Os dois casos mostrados correspondem ao processo de produção de

calor usando os gases quentes do processo proposto deslocando o óleo combustível Nº 6 ou o gás




natural. Pode-se notar que se a taxa de juros anual for de 12% e se o óleo for substituído

como combustível para a produção de calor, então o MSW derruba a taxa de Can$ 34/tonelada (US$

28,70) necessitando ser subsidiado por uma empresa de serviço público para fazer com que o processo

econômico se suporte.

Mercados para o Produto

O produto gasoso pode ser usado para o acendimento direto na produção de água quente ou na

produção de vapor ou na geração de eletricidade.

Condição Social Atual e Planos Futuros

A planta em escala piloto de gaseificação de 50kg/h é parte de um programa de duas fases que

investiga a gaseificação dos materiais desperdiçados. Na segunda fase do programa, o protótipo da

planta será aumentado até 1 tonelada/hora baseado nos parâmetros e nas configurações do processo

desenvolvidos durante a fase piloto da planta. O sistema está atualmente pronto para a escala de até 1

tonelada/hora com uma pressão de 1 bar. Entretanto, como a Distech não tem grande envolvimento no

projeto, a escala acima da fase de projeto está suspensa até que um parceiro seja encontrado. O Canadá

apresenta pouco interesse na gaseificação de biomassa embora haja um interesse na gaseificação de

resíduos.

A licença para a planta de gaseificação é mantida pelo CQVB. Se uma companhia britânica

quisesse construir um gaseificador similar, a CQVB licenciaria a tecnologia e apontaria a Universidade

de Sherbooke ou uma companhia filiada de transferência de tecnologia como assistentes da

engenharia. A Universidade de Sherbooke cooperaria totalmente.

8.13 Tata Energy Research Institute – Sistema de Gás de Madeira para a Produção de Seda

(Tata, SDC, IDC, TERI)

Descrição / Finalidade: Desenvolvimento de um gaseificador para a cocção da seda.

País: Índia

A Índia produz 15.000 toneladas por ano de seda e ocupa o segundo lugar no mundo na

produção de seda (depois da China). A sericultura requer grandes quantidades de madeira, os resíduos




dessa indústria são usados para matar as crisálidas, cozinhar (para remover a goma),

bobinar, re-bobinar, desengomar e tingir, tudo na água fervente. Há 60.000 fornos que estão sendo

usados por meio milhão de pessoas, na maior parte mulheres. Estima-se que 475.000 toneladas/ano de

madeira como a casca do arroz e cascas de amendoim são consumidos nestes processos.

Algumas organizações não governamentais (ONGs) estão interessadas em desenvolver

pequenos gaseificadores para ajudar nas indústrias de seda, como o SDC (Corporação Suíça de

Desenvolvimento) e IDE (Empresas Internacionais de Desenvolvimento). Eles esperam que o uso da

gaseificação no mundo:

• Reduza por mais da metade o consumo de combustível,

• Aumente a eficiência térmica de 10% para 50%,

• Tenha um melhor controle do processo,

• Reduza a fumaça e forneça condições de funcionamento melhores e possivelmente melhor

produtividade,

• Permita que os gases limpos sejam usados na secagem das crisálidas,

• Uso do gás para matar os casulos (é melhor do que ferver).

Um gaseificador experimental projetado por uma equipe do SDC está sendo testado para melhorar

a eficiência no processo da seda. Eles acreditam que cozinhando convencionalmente a eficiência do

processo é menor do que 10% e que o gaseificador terá perto de 40% de eficiência com maior controle

do processo e menor poluição.

O gaseificador usado era co-corrente estratificado simples com o compartimento do

combustível aberto. O gás é forçado por um ventilador através do gaseificador, e então com um

sistema de limpeza horizontal a unidade é alimenta pelos seis queimadores sob seis potenciômetros de

cobre em uma mesa de cozinha. Os trabalhadores despejam os casulos frescos na água fervendo e

removem as fibras e a goma, secam e vendem como biomassa.

O gaseificador é estimado atualmente para custar a 40.000 Ru (Rúpia - moeda corrente da

Índia), possivelmente 35.000 Ru com produção em escala grande.

Em Bangalore existem gaseificadores operando em duas fábricas de seda. Cada moinho

empregou uma dúzia de trabalhadores, na maior parte mulheres. O gaseificador passou por testes no

começo e então os queimadores foram acesos sob os potenciômetros cozinhando e operados por muitas




horas. Estima-se que cada queimador usa 2.5 kWth, assim o gaseificador opera com 15

kWth e requer 7-8 kg de madeira por hora. Os trabalhadores cortam a madeira em pedaços de 5 cm que

é a dimensão máxima, usando um equipamento circular simples de serra/motor e depois despejam no

funil do gaseificador. A produção da seda aumentou de 2-4% com o uso dos gaseificadores. Os

trabalhadores estão entusiasmados com a nova ferramenta.

Há a necessidade de considerar cuidadosamente o uso da "sucção" Vs "pressurização" do

gaseificador para a indústria de seda. Motores de gaseificadores normalmente são de sucção porque a

sucção do motor é usada para puxar o ar/gás através do sistema para o motor. Mas uma vantagem

adicional é que todos os pequenos escapes farão exame do ar dentro - não havendo escape de

monóxido de carbono para fora. O gaseificador da TERI usa um ventilador para forçar o ar através do

sistema, assim todos os escapes serão uma fonte potencial de CO. Um alarme de CO deve certamente

fazer parte de toda a instalação.

8.14 VTT Gasification R & D Center

Descrição / Finalidade: Pesquisa e Desenvolvimento na gaseificação, limpeza do gás.

País: Finlândia

VTT é o Centro de Pesquisa Técnicas da Finlândia, seus laboratórios principais de energia

estão localizados em Espoo, subúrbio de Helsinque. Em setembro de 1996 eles organizaram um

workshop para a União Européia, UE, "Análises e Coordenação das Atividades a Respeito da

Gaseificação de Biomassa" e da Agência Internacional de Energia, IEA grupo de funcionamento da

“gaseificação de biomassa”. O workshop foi no Hotel Hanasaari, em um centro de conferência no

Golfo da Finlândia, oeste de Helsinque.

Instalações dos Testes de Gaseificação da VTT Energy

Unidades de Desenvolvimento / Pesquisa dos Processos de Gaseificação




Gaseificador Pressurizado

Leito Fluidizado,

equipamento para testes

(1988)

• Taxa de alimentação de

até 80 kg/h

• Pressão de 3-10 bar

• Temperatura de 700-

1100ºC

• Testes com novas

biomassas para

aplicações no IGCC

• Testes de filtração do gás

• Testando o by-pass dos

catalisadores secundários

do gás limpo

Gaseificador Circular de

Leito Fluidizado

(1995)

• Taxa de alimentação

de até 50 kg/h

• Pressão atmosférica

• Temperatura entre

700-1100ºC

• Testes com resíduos e

biocombustíveis para

aplicações a pressão

atmosférica

• Desenvolvimento da

limpeza do gás para

gaseificadores

circulares de leito

fluido

Gaseificador de Leito Fixo

e fragmentador térmico


de até 25 kg/h

• Pressão atmosférica

• Testes com resíduos




Equipamentos em Escala de Bancada

Reator Pressurizado de

Leito Fluidizado para

Estudos Fundamentais

(1993)

• Alimentação

contínua/Batelada

• id 30 mm, SiC-reator

• Pressão 1.2-20 bar

• Teste de pirólise de

leito fluido

• Testes de reação

• Estudos de limpeza

do gás

Reator de Leito Fluido e

Unidade de Fragmentação

• Gaseificador, filtro

• Alimentação

contínua, 1 kg/h

• Bar, Max 1.000ºC

• Pirólise do N2

• Testes preliminares

da gaseificação do ar

com novas biomassas

Testes das Facilidades do

Filtro (1993)

• Gás sintético, 1-5 bar

• Temperatura 300-

900ºC

• Destino do alcatrão e

da fuligem

• Corrosão de materiais

do filtro

• Testes de filtração

Reator de Leito Fluido

para Estudo da Síntese da

Cinza

(1995)

• 1 bar, até 1100ºC • Testes de síntese em

condições reais de

leito fluidizado

Reator Pressurizado de

Catalisador Monolítico

(1994)

• Até 10 bar, 1000ºC

• Gás da gaseificação

proveniente do

gaseificador em

desenvolvimento

• Decomposição

catalítica do alcatrão

e do NH3

• Ouros testes de

limpeza dos gases

Reator com Fluxo de

Entrada (1995)

• 1 bar, até 1400ºC

• Ar, N2 ou gás

atmosférico


• Estudos fundamentais

da formação dos

gases contaminados

• Caracterização do




de até 1kg/h combustível

A VTT tem realizado projetos de gaseificação de biomassa e de turfa desde de 1970. Em

meados de 1980, as pesquisas concentraram-se em aplicações simples do gás combustível a pressão

atmosférica incluindo a gaseificação de plantas, em fornos de cal e outras aplicações próximas onde

nenhuma limpeza do gás foi solicitada. Este desenvolvimento culminou na comercialização do

Bioneer, gaseificador de leito fixo. De 1986-1995 o trabalho focalizou o desenvolvimento dos sistemas

simplificados de IGCC (Gaseificador Integrado Combinado com Ciclo de Geração de Energia)

baseados sobre o gaseificador pressurizado de leito fluidizado e na limpeza do gás quente. Esta

pesquisa foi realizada com a cooperação da indústria finlandesa e das companhias de serviço público

européias. Recentemente a VTT reiniciou as atividades no gaseificador de biomassa de pressão

atmosférica para aplicações em motores e para o co-acendimento de gases derivados de biomassa em

caldeiras com grandes utilidades. Além das pesquisas publicamente financiadas, os equipamentos de

teste da VTT são usados para projetos com financiamentos privados de pesquisa e desenvolvimento

das indústrias finlandesas e das indústrias européias.

Facilidades do Laboratório

• Aparelhagem para pressurização – aquecimento da grelha

• Reator de tubo para estudos em reações de fase

• Reator pressurizado de leito fixo para teste dos catalisadores e dos combustíveis

• Equipamento portátil de leito fixo para testar os catalisadores (1 bar)

8.15 University of Wales

Descrição / Finalidade: Leito fixo de 200 kW / troca de calor do gás com o ar para a secagem da

biomassa

País: Reino Unido

O Departamento de Engenharia Mecânica e os Estudos da Energia da Cardiff Universidade de

Wales têm trabalhado no campo da gaseificação sob a supervisão do Prof. N. Syred. O sistema de 200

kW leito fixo com integração de aquecimento gás-ar construído para EC - esse projeto foi financiado e




realizado conjuntamente entre a Universidade de Cardiff e a Universidade de Tecnologia da

Malásia. O sistema usa os resíduos da colheita da agricultura para a secagem e limpeza.

8.16 Zaragoza University

Descrição / Finalidade: Gaseificador co-corrente para pesquisa e desenvolvimento, plantas de 22 &

200 kWe disponíveis, estudos de biomassa e MSW

País: Espanha

A equipe de pesquisa de biomassa na Universidade Zaragoza e outros sócios estão envolvidos

no projeto Joule "Sistema Híbrido Vento – Biomassa para a Geração de Eletricidade Rural". O

objetivo global deste projeto é desenvolver um sistema para fornecer eletricidade para áreas rurais sem

o uso de combustível fóssil. A Universidade de Zaragoza está trabalhando na construção e no designer

de um gaseificador a ar co-corrente de 50 kg/h.

No gaseificador o ar é alimentado por três entradas. O leito é apoiado sobre uma grade de

rotação excêntrica no fundo do gaseificador e um sistema de agitação impede a formação de vácuo no

leito. Uma nova característica é que o gaseificador pode operar em uma modalidade "inativa". Quando

a energia é requerida o gaseificador começa imediatamente.

9. Organizações de Pesquisas de Gaseificação no Brasil

9.1 UNICAMP – Universidade de Campinas

Descrição / Finalidade: Reator de leito fluidizado

O Prof. Dr. Sanchez na UNICAMP está trabalhando com um reator de leito fluidizado

constituído por um tubo cilíndrico de 250 mm de diâmetro externo, de aço inox 314, revestido

internamente com concreto refratário de 25 mm de espessura, resultado em um reator com 200 mm de

diâmetro interno. A altura total do reator ‚ de 2000 mm, sendo a altura do refratário de 700 mm.

Externamente o reator‚ isolado com 1ã minera1 FIBERFRAX B6 de densidade 96 kg/m³, espessura de

50 mm na região do leito (600 mm de altura) e 25 mm na região do freeboard imediatamente acima do

leito (entre 600 a 1200 mm, a contar da p1aca distribuidora de ar). A figura abaixo mostra uma




fotografia do reator de leito fluidizado instalada no Departamento de Engenharia Térmica e

Fluídos (DETF) da Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM) na UNICAMP.

Figura 23. Reator de Leito Fluidizado Instalado na FEM da Unicamp.

O ar de alimentação‚ fornecido por um compressor, com a vazão monitorada por uma placa de

orifício calibrada. O ar é injetado na parte de baixo do reator por uma placa de orifícios com cerca de

2000 furos de 1,5 mm (plenum). O combustível ‚ introduzido no reator por uma rosca sem-fim,

refrigerada a água e instalada 50 mm acima da placa distribuidora. É possível modificar a alimentação

do combustível através de um motor variador. O alimentador representa e1emento mais problemático

do experimento de vários pesquisadores.

O gás ao sair do topo do reator passa por um ciclone que permite coletar particu1ados,

passando em seguida por uma placa de orifício para a medida da vazão, e descarregado na atmosfera

por uma chaminé. O material inerte do leito é formado por óxido de alumina branco (alumina). O leito

estacionário variou de 28 cm a 57 cm.




A amostragem do gás é feita logo na saída do ciclone. A amostra do gás é

succionada da tubulação de exaustão de gás do reator por um tubo, passando por um filtro e por um

separador de água, por um analisador continuo de monóxido de carbono (fim de escala 9,99 %)

passando por um by-pass para a atmosfera.

Gaseificando-se cascas de arroz, pode-se observar, que a maior eficiência a frio foi obtida para

uma relação ar combustível (AC) na faixa de 1,43 a 2,8, chegando a mais de 35% de eficiência Para

uma AC de 2,04 obteve-se uma eficiência máxima de 53,9%. Notou-se também a dependência entre os

parâmetros AC e temperatura do reator, como se esperava pois, com o aumento do combustíve1 em

relação ao ar pode-se esperar um aumento nas taxas de reação tornando as temperaturas mais elevadas.

Portanto, teoricamente a maior temperatura deve ser resultado de uma AC estequiométrica (AC = 1,0),

quando não ocorrer à formação de nenhum outro tipo de gás combustive1. O efeito ocorre ao contrário

para a relação AC, pois com uma relação baixa não haverá oxigênio suficiente para manter a reação

em seu ponto ótimo trazendo por conseqüência queda da temperatura e o fim da reação. Para um AC

muito a1to a energia necessária para o aquecimento do excesso de ar poderá causar uma queda na

temperatura da reação, logo após o inicio da reação, devido à absorção do calor pelo ar ser queimada

devido ao excesso de ar causando até mesmo a extinção da reação.

Para a serragem, tem-se o um máximo na eficiência a frio na faixa de 32 a 39,5% para uma

relação AC de 3,7. Já a temperatura do 1eito tem variação de 670 ºC (AC= 5,88) até 900ºC (AC=

2,63). Quanto maior a re1ação AC, maior ‚ a disponibilidade de ar para as reações no interior do leito,

mas causando uma redução no poder calorífico do gás produzido, devido a que as reações serem

incompletas.

Conclui-se destes dados que o fator de ar, ou relação AC é o fator fundamenta1 para o

desempenho do reator. O AC ótimo depende do tipo de biomassa, sendo próximo 1,89 para casca de

arroz e de 4,00 para a serragem. Devido aos problemas com o sistema de alimentação de combustível

houve flutuação na qualidade do gás, confirmando o que outros pesquisadores já haviam observado em

seus experimentos.

A utilização de biomassa fibrosa, por exemplo bagaço de cana, apresentou sérios problemas na

alimentação, exigindo um novo desenho de rosca do alimentador. Com base na experiência adquirida

neste reator, o grupo de trabalho da UNICAMP pretende desenhar um reator maior, diâmetro de 300




mm com capacidade de 100 a 120 KW. Com isto será possive1 aprimorar o sistema de

a1imentaq5o de combustive1, a filtragem dos gases e e1aborar uma sistemática mais adequada de

partida do reator.

A Tabela 16 abaixo apresenta um resumo dos resu1tados obtidos com a gaseificação de casca

de arroz e serragem para as condições de máxima eficiência.

Biomassa Eficiência a

frio

(%)

PCI do gás

(MJ/Nm3)

Fator de

Ar

Temp.do

leito

(ºC)

PCI do

comb.

(MJ/Nm3)

Teor de

cinzas

(%)

Casca de

Arroz

42 3,1 0,25 740 15,44 1,4

Serragem 34 3,7 0,25 780 13,29 16,51

Tabela 17. Resultados Obtidos Através da Gaseificação da Casca de Arroz e Serragem

As diferenças encontradas na literatura com relação ao reator experimenta1 da UNICAMP,

pode ser atribuída a uma maior perda de calor.

Podemos agora comprovar que a composição do gás, ou seja o Poder Calorifico, produzido é

uma função direta da temperatura de reação, a qual depende da relação ar combustível.

O grupo de traba1ho da Universidade da Califórnia em Davas tem se dedicado à questão da

sintetização de certas biomassas quando traba1hando com temperaturas próximas ao ponto de

amolecimento das cinzas. A maneira de procurar controlar este problema tem sido a mistura de dois ou

mais combustíveis de maneira a se associar qualidades diferentes. O reator utilizado para este fim é

modular e possui diâmetro interno de 178 mm. O reator possui uma parede de cimento refrataria de 38

mm de espessura. No topo do reator uma zona de transição conduz a uma zona de desengazamento de

432 mm de diâmetro interno. O comprimento tota1 do reator é de 4,6 metros. O objetivo da zona de

expansão e da zona de desengazamento é reduzir a velocidade dos gases de maneira a que as partículas

ainda não totalmente consumidas retornem para a zona de reação e completem a reação. Na parte




inferior do reator um plenum permite a entrada de ar que passa então por uma placa

distribuidora constituída de uma placa de aço inoxidáve1 de mesh 60 (60 furos por polegada quadrada)

prensada entra duas f1anges. O sistema de a1imentação é formado por uma rosca sem-fim dosadora

que leva o combustível para uma rosca sem-fim alimentadora, que alimenta o combustive1 a uma

altura de 114 mm acima da placa distribuidora.

Todos os testes rea1izados com palha de arroz resultaram em aglomeração do leito devido à

perda de pressão causada pela formação de canais no leito à medida que o processo de sinterização

procedia. Na tentativa de manter a temperatura abaixo dos 900ºC a relação AC foi aumentada

causando um resfriamento excessivo do leito e extinguindo a reação.

Varias tentativas foram rea1izadas procurando-se superar estes problemas, entre os quais se

destaca a redução do tamanho das partículas da palha de arroz e início da reação com outro

combustível, no caso resíduos sólidos urbanos (RSU) (principalmente madeira), e depois de estabilizar

o reator substituir este combustive1 pela palha de arroz. Nenhuma destas soluções apresentou

melhoras significativas no desempenho do reator com a pa1ha de arroz como combustível.

Em seguida experimentos com misturas de palha de arroz e RSU foram realizados. No primeiro

teste uma mistura de 75% de palha e 25% de RSU apresentou um desempenho melhor do reator apesar

de eventualmente resultar em aglomeração do leito. Porém, o reator manteve-se estável por um

período maior do que quando foi utilizada apenas a palha de arroz como combustível. Com apenas 10

% de palha de arroz o reator teve desempenho excelente comportando-se praticamente como se

utilizasse apenas madeira.

Todos os sistemas de gaseificação descritos aqui até agora operam a pressões próximas a

atmosférica. Para grandes instalações onde se pretende gerar tanto eletricidade como ca1or estão em

processo de desenvolvimento instalações de gaseificação de biomassa a alta pressão. Como exemplo

destes trabalhos pode-se citar a unidade sendo construída pe1a Ahlstrom Corp. da Finlândia para a

Sydkraft Ab, de Vänamo na Suécia. 0 combustive1 será gaseificado a 20 bar em um reator recirculante

de leito fluidizado, e o produto será limpo para ser uti1izado em uma turbina a gás. Sendo a primeira

unidade deste tipo no mundo ela terá uma capacidade de gerar 6 MW de eletricidade e 10 MW de

calor. Será realizado um programa intensivo de testes procurando estabelecer a viabi1idade técnica e

econômica, além de prover dados de engenharia para o desenho de unidades comerciais similares.




Atualmente o Professor Sanchez junto com o Prof. Marcelo Côrtes Fernandes

desenvolvem o projeto “Desenvolvimento de Gaseificador de Biomassa para Eletrificação Rural”. Nas

instalações da UNICAMP existem hoje, dois gaseificadores em leito fluidizado para testes de geração

de energia e otimização e um gaseificador pequeno, de bancada, para pesquisas mais localizadas. O

maior, de 180 kW (ainda pode ser otimizado para 300 kW), deve ser em breve acoplado a um grupo

gerador para testes e demostração da tecnologia.

Desenvolvimento de um Gaseificador de Biomassa para a Eletrificação Rural

Uma planta piloto de gaseificação de biomassa está sendo desenvolvida pela equipe do

Laboratório de Combustíveis e Combustão da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP. O

gaseificador foi projetado para uma potência Térmica de 300kW [SANCHEZ et all., 1994]. Ao operar

com um grupo-gerador, a planta piloto teria capacidade instalada de 100kVA. O gaseificador já foi

construído e em testes de operação e otimização [FERNANDES, 2000]. Um outro gaseificador, de

40kW, também é utilizado para o desenvolvimento de pesquisas científicas. Pretende-se, futuramente,

utilizar o conhecimento acumulado [SANCHEZ, 1994; BEHAINNE, 1999; FERNANDES,2000] em

uma planta de demonstração para a eletrificação rural.

As pesquisas em biomassa em andamento são:

• Desenvolvemento de gaseificador de biomassa para eletrificação rural (testes em reator de 180 kW;

acoplamento a grupo gerador; estudos de viabilidade técnica e econômica; prospecção de mercado

para a tecnologia).

• Influência da injeção de vapor na gaseificação de biomassa

• Cinética química da pirólise de biomassa.

• Secagem de bagaço com gás de gaseificação.

• Cogaseificação de lodo de esgoto.

Recentemente a UNICAMP desenvolveu um trabalho que estudou a gaseificação do




capim-elefante, integrado ao PIB – Projeto Integrado de Biomassa, coordenado pelo IPT –

Instituto de Pesquisas Tecnológicas. Também foi desenvolvidada tese de mestrado sobre a

gaseificação de casca-de-arroz de autoria de Mario Barriga Ângulo, com bons resultados

experimentais.

9.2 IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas

Finalidade / Descrição: Instalações piloto para pesquisas.

Nos últimos anos, a equipe do Laboratório de Combustão e Gaseificação do IPT, projetou e

construiu várias instalações piloto, que permanecem montadas no Laboratório para a execução de

trabalhos de investigação experimental auto-motivados e para o atendimento de trabalhos de

interesse do meio industrial.

Tais equipamentos têm como característica comum potência relativamente elevada, o que

enseja verificar experimentalmente a maioria dos problemas passíveis de ocorrerem numa instalação

de porte industrial, bem como utilizar parâmetros obtidos na sua operação para o dimensionamento de

unidades industriais com razoável segurança, caracterizando, portanto, o que se convenciona

denominar internacionalmente um Laboratório de Combustão Industrial.

Combustor/gaseificador de leito fluidizado




Este combustor/gaseificador é constituído de: um reator com diâmetro interno de 0,5

m e altura de 5,0 m, revestido internamente por refratário sílico-aluminoso monolítico.

Figura 24. Gaseificador de Leito Fluidizado Instalado no IPT.

O sistema de injeção de ar de fluidização é constituído por um plenum e uma placa com 72

bicos de injeção de furos laterais (“stand pipes”).

O preaquecimento do material inerte que constitui o leito é feito pela combustão de GLP

através de 12 injetores montados em alguns bicos de injeção de ar e por um queimador a diesel,

localizado a 1,4 m da grelha. Como material inerte tem sido utilizada areia com faixas granulométricas

bastante estreitas, produzida pelo IPT para outras finalidades.

O gás efluente do gaseificador passa por um ciclone, revestido internamente com refratário, que




capta a maior parte do material particulado presente nesse gás. O material coletado pode ser

simplesmente recolhido através de um silo de transferência, para posterior pesagem e análise ou então,

utilizando dois reservatórios de transferência e um ejetor, ser realimentado ao interior do leito.

O gás efluente da primeira etapa de limpeza passa por uma tubulação de medição e amostragem

e em seguida por um sistema de resfriamento e lavagem e por um conjunto de ventiladores em série

que comprime o gás para a tocha.

Existem dois sistemas de alimentação de material passíveis de serem utilizados: um que

alimenta o material a gaseificar sobre o leito fluidizado e outro que pode alimentar o material no meio

do leito fluidizado. O primeiro se presta a materiais de granulometria mais grosseira (2 – 10 mm) e o

segundo a materiais de baixa granulometria.

A reposição eventual de inerte ao leito é feita por gravidade a partir de um silo existente no

topo do reator e a retirada eventual de inertes em excesso é feita por um tubo de transbordo, instalado

na grelha, acoplado a um recipiente através de uma válvula de manobra.

O reator pode operar com potências de até 1 MW, valor este já obtido em diversos ensaios

operando com bagaço de cana peletizado.

Existe ainda a possibilidade de realizar operações de calcinação, ustulação e outras, utilizando

o sólido a processar como se fosse o leito de inerte e queimando um combustível sólido ou líquido no

interior do leito. Neste caso, os sistemas de alimentação podem ser operados simultaneamente, um

com material a processar e outro com o combustível sólido.

O reator é equipado com amostrador de sólidos estanque que permite retirar amostras do

interior do leito, com o reator em operação, para posteriores análises (granulométricas e químicas).

O Laboratório conta ainda com um programa de simulação do equipamento, desenvolvido

internamente, que é utilizado para estimar as condições operacionais dos processos a serem

desenvolvidos e definir parâmetros de projeto.

Gaseificador de leito movente

Existe no Laboratório de Combustão e Gaseificação do IPT um gaseificador de leito

movente (também chamado de leito fixo), com diâmetro interno de 0,5 m e altura de 3 m,

possibilitando alturas de leito de até 2,5 m. O reator é revestido internamente com refratário sílico-

aluminoso monolítico e seu corpo construído em várias partes, possibilitando diversas configurações:




contracorrente, co-corrente e com reciclo de gases de topo.

Figura 25. Gaseificador de Leito Movente Instalado no IPT.

O leito de material em processamento apóia-se sobre uma grelha tronco cônica que gira

excentricamente em relação à seção transversal do gaseificador. As cinzas resultantes escoam por

gravidade por um espaço anular entre a grelha e a carcaça do gaseificador caindo na bacia de selagem,

que gira solidariamente à grelha.

Os sistemas de alimentação disponíveis são: um recipiente içado manualmente através de

roldana, normalmente utilizado para materiais friáveis e um sistema de transporte pneumático,

utilizável com materiais de alta resistência ao impacto. Em qualquer dos casos o material é depositado

num pequeno silo, do qual é conduzido ao interior do reator pela manobra de duas válvulas

motorizadas, intercaladas por um reservatório de transferência.

O gás gerado pode ser enviado diretamente a uma tocha ou então passar por um sistema de

limpeza, e deste ir para a tocha ou para outro equipamento onde deva ser utilizado.




Este equipamento já foi utilizado para muitas corridas, em operações com cavacos

de lenha, carvão vegetal, turfa extrudada, carvão de casca de coco de babaçu, carvão mineral, bagaço

de cana peletizado e resíduos florestais peletizados, totalizando mais de 2000 horas de operação. As

máximas potências de operação estão por volta de 500 kW.

Para este equipamento o Laboratório também conta com um programa de simulação cuja

primeira versão foi finalizada em 1984. Este programa tem sido atualizado, tendo recebido, em 1996,

novas rotinas de secagem e pirólise de biomassa.

Atualmente o IPT desenvolve em parceria com o CENBIO – Centro Nacional de Referência em

Biomassa, o BUN – Biomass Users Network do Brasil e a Universidade do Amazonas o projeto

GASEIFAMAZ “Comparação entre Tecnologias de Gaseificação de Biomassa Existentes no Brasil e

no Exterior e Formação de Recursos Humanos na Região Norte”. Esse projeto é patrocinado pela

FINEP – Financiadora de Estudos e Projetos empresa de fomento do Ministério de Ciência e

Tecnologia (MCT).

A metodologia de execução do projeto se divide em três fases:

Fase 1 :

- Importação de dois gaseificadores do Indian Institute of Science, IISc

- Missão técnica para a Índia visando o acompanhamento dos testes com os gaseificadores e

treinamento de pessoal em operação e manutenção

- Importação e instalação dos dois gaseificadores para testes e adaptação, um no IPT e outro na

Universidade do Amazonas.

Fase 2:

- Realização de testes de longa duração para avaliar a qualidade do gás produzido, sistemas de

limpeza e funcionamento com motores importados e nacionais

- Desenvolvimento de um sistema para o tratamento da água residual

- Capacitação de pessoal em operação e manutenção de gaseificadores.

- Estabelecimento de uma série de procedimentos de operação e manutenção

- Elaboração de um programa de treinamento para ser ministrado nas comunidades do Amazonas

onde serão instalados os sistemas.

Fase 3:

- Consiste na instalação dos sistemas nas comunidades escolhidas




- Treinamento de equipes locais para operar e manter os sistemas

- Operação dos sistemas

- Testes de operação

- Análise de resultados.

Os resultados esperados pelo projeto consistem em:

- Fornecer uma alternativa de energia elétrica com óleo diesel para as comunidades isoladas da

região amazônica

- Adaptar a tecnologia de gaseificação de biomassa para a região amazônica

- Capacitar recursos humanos nas áreas de operação, manutenção e construção de gaseificadores de

biomassa

- Desenvolvimento tecnológico que permitirá a expansão desse tipo de tecnologia para toda a

região.

Atualmente o projeto está na Fase 1.

9.3 UFPA - Universidade Federal do Pará

Descrição / Finalidade: Pesquisa sobre gaseificação de resíduos de biomassa para a produção de

energia.

O Departamento de Engenharia Elétrica junto com o Departamento de Engenharia Mecânica da

Universidade Federal do Pará (UFPA) vem desenvolvendo projetos de biomassa, como: Utilização de

Resíduos da Flora Paraense para Produção de Briquetes Energéticos, Utilização de Resíduos da Flora

Paraense para a Produção de Energia, Utilização de Resíduos de Madeira para a Produção de Vapor,

Utilização de Resíduos da Flora Paraense para Obtenção de Produtos de Alto Valor Agregado,

Utilização de Resíduos de Capoeiras para produção de Briquetes Energéticos.

Atualmente a UFPA está desenvolvendo o “Programa ENERBIO / UFPA Utilização de

Resíduos de Biomassa de Açaí e Cacau para a Produção de Energia” sob coordenação da Prof. Dr.

Brígida da Rocha. O projeto consiste em:

- Obtenção do poder calorífico do açaí e do cacau,




- Realização de testes através de gaseificação (gaseificadores importados do Indian

Institute of Science),

- Realização de testes de combustão direta,

- Briqueteamento dos resíduos do cacau,

- Briqueteamento dos resíduos do açaí,

- Utilização de briquetes dos resíduos de cacau e açaí para a geração de energia,

Resultados esperados:

- Melhoria na qualidade de vida da população,

- Adequação as normas MDL (Mecanismo de Desenvolvimento Limpo),

- Limpeza ambiental,

- Geração e manutenção de empregos diretos e indiretos,

- Viabilidade da qualidade de vida para gerações futuras,

- Agregação de valor aos produtos,

- Contribuição do acréscimo do PIB do estado do Pará, entre outros.

9.4 EFEI – Universidade Federal de Itajubá

A EFEI – Universidade Federal de Itajubá, sobre coordenação do Prof. Dr. Electo Silva Lora,

está trabalhando atualmente em um projeto de gaseificação financiado pela CEMIG – Companhia

Energética de Minas Gerais, COPERSUCAR – Cooperativa de Produtos de Cana, Açúcar e Álcool do

Estado de São Paulo Ltda e pela FINEP – Financiadora de Estudos e Projetos. O gaseificador é de leito

fluidizado circulante de 210KW e será alimentado com casca de arroz, serragem e bagaço de cana.

O projeto pretende verificar a operação dos diferentes sistemas e testar a seqüência de partida.

Atualmente, a equipe técnica aguarda o recebimento do amostrador de gás para realizar os testes de

desempenho.




Projeto WPB – SIGAME

Wood Biomass Project / Sistema Integrado de Gaseificação de Madeira para a Produção de

Eletricidade

O Prof. Luiz Augusto Horta Nogueira, da Universidade Federal de Itajubá, desenvolveu o

Projeto WBP-SIGAME, que reúne entidades brasileiras e internacionais com o propósito de conceber,

desenhar e implantar uma planta termelétrica com ciclo combinado empregando biomassa lenhosa

gaseificada, com uma capacidade cerca de 30 MW.

Como principais referências para este trabalho tomaram-se os trabalhos dos responsáveis pelo

projeto, (Cunha Filho et alli, 1995 e Leão et alli, 1995). O projeto Wood Biomass Project / Sistema

Integrado de Gaseificação de Madeira para Produção de Eletricidade (WBP/SIGAME), foi iniciado

em julho de 1991 e tem como núcleo à implantação de uma Usina de Demonstração, com capacidade

instalada de aproximadamente 30 MW. O projeto visa demonstrar a viabilidade comercial da geração

de eletricidade, a partir da madeira (biomassa florestal), através da utilização da tecnologia de

gaseificação integrada a uma turbina a gás, operando em ciclo combinado e é o resultado da soma de

interesses de um grupo de empresas e de órgãos do governo brasileiro, no desenvolvimento desta

tecnologia, associando-se ainda aos objetivos de preservação ambiental do Global Environmental Fund

(GEF), das Nações Unidas.

A conjugação de tais interesses permitiu que o MCT - Ministério de Ciência e Tecnologia

brasileiro e consórcio de participantes, formado pela ELETROBRÁS - Centrais Elétricas Brasileiras

("holding" das empresas estatais de energia elétrica), CHESF - Companhia Hidro Elétrica do São

Francisco (estatal de área de energia elétrica e coordenadora do projeto), CIENTEC - Fundação de

Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul (instituição estadual de desenvolvimento tecnológico),

CVRD - Companhia Vale do Rio Doce (estatal da área mineral e florestal) e SHELL (empresa

energética multinacional), recebessem uma doação US$ 8.115 milhões para desenvolver

equipamentos, da engenharia básica da planta de demonstração, e preparação da sua implantação,

etapas consideradas a Fase II do projeto, finalizada em outubro de 1997.

Na Fase III, a implantação da usina, o GEF deverá alocar recursos em torno de US$ 35 milhões

também sob a forma de doação, ficando o capital restante em torno de US$ 78 milhões para ser




levantado entre os demais participantes, novos investidores interessados no projeto e/ou

através de empréstimo. Durante a Fase II, além do desenvolvimento de equipamentos e da engenharia

básica da usina, os participantes formaram uma nova empresa, através de um Consórcio, de

preferência de caráter privado, que seria responsável pela implantação da Fase III e pela negociação

dos contratos de venda de energia e compra da madeira.

Os estudos realizados pela CHESF, levando em consideração o solo, o clima e as espécies

indicadas para reflorestamento no Nordeste brasileiro, mostram que cerca de 33% do seu território

pode ser usado para a implantação de florestas e que a produtividade anual alcançada nessas áreas

varia de 10 a 30m³ sólido/ha. Nessas condições, considerando a utilização da tecnologia da

gaseificação da biomassa associada com turbinas a gás, o uso de 5% da área do NE, ou 15% da área

com aptidão florestal, resulta num potencial de geração de cerca de 19,7 GW médios, ou seja, mais que

o dobro do potencial hidráulico existente na região. A realização deste potencial, no entanto, depende

da demonstração da viabilidade comercial (técnica e econômica) do uso da biomassa, no caso madeira,

como fonte primária para produção de eletricidade, objeto do Projeto WBP/SIGAME.

Além das entidades brasileiras citadas acima, participam deste projeto as seguintes entidades

internacionais: Global Environmental Fund - GEF, United Nations Development Program - UNDP,

World Bank - WB, bem como fornecedores internacionais de equipamentos e consultoria: BIOFLOW,

Termiska Processer AB - TPS, General Eletric - GE e a Jaakko Pöyry Engenharia - JPE. Além destes

participantes diretamente envolvidos, diversas instituições acompanharam o projeto, na qualidade de

observadores técnicos, como a COPERSUCAR.

Aspectos Técnicos

O Projeto WBP/SIGAME compreende a implantação de uma planta de demonstração com

capacidade de cerca de 30 MW. Para sua viabilização e exploração comercial prevê-se a constituição

de uma entidade jurídica, de preferência de caráter privado, consorciando os atuais participantes e

futuros sócios que porventura venham a participar do empreendimento. A planta de demonstração foi

concebida para ser usada como módulo de futuras unidades comerciais, cuja potência deverá situar-se

entre 60 MW e 100 MW.

Descreve-se a seguir a operação nesta planta, para ser instalada no interior do Estado da Bahia.

A conversão da energia da biomassa em eletricidade, desconsiderando as diferenças entre os sistemas




de gaseificação (pressurizado/atmosférico), se inicia na área de recebimento de madeira,

cujo objetivo é armazenar a madeira em forma de toras recebida das florestas e produzir cavacos com

granulometria adequada à gaseificação. Parte da madeira recebida é encaminhada diretamente para a

alimentação da linha de picagem e parte deverá ser armazenada para os períodos quando não houver

abastecimento de combustível, sendo sempre movimentada com gruas móveis. Após a mesa

alimentadora, as toras seguem por transportadores de correia e rolos para transformação em cavacos no

picador de tambor, passando antes por uma estação de lavagem e detecção de metais. Uma área a céu

aberto recebe os cavacos vindo do picador que são transportados por correias transportadoras, para

estocagem em pilhas.

De acordo com a necessidade, os cavacos são retomados da pilha e seguem para o secador de

cavacos, onde se utilizam os gases de combustão para reduzir a umidade de biomassa de 35% para a

faixa de 10 a 20%, aumentando assim a eficiência da planta e possibilitando que o gás, gerado no

sistema de gaseificação, possa ser queimado na turbina a gás. O secador opera em fluxo cruzado com

os gases quentes provenientes de caldeira de recuperação, que entram no fundo do secador e

atravessam o leito de biomassa, promovendo a secagem dos cavacos.

Os cavacos secos alimentam o gaseificador juntamente com o ar e em uma reação de

combustão incompleta, tem-se a geração do gás combustível. Posteriormente o gás é resfriado,

purificado e enviado a turbina a gás onde é queimado na câmara de combustão e posteriormente

expandido, gerando assim a energia mecânica necessária ao acionamento do compressor e do gerador

elétrico acoplado a turbina. Os gases da exaustão da turbina passam através da caldeira de recuperação

de calor onde geram o vapor que alimenta o turbogerador a vapor. A turbina a gás a ser utilizada é do

tipo aeroderivada, de fabricação GE, modelo LM 2500, modificada para a queima de gás com baixo

poder calorífico (cerca de 1.400 kcal/Nm³). As principais alterações devem ser efetuadas na câmara de

combustão, no sistema de controle e no sistema de extração de ar para alimentação da planta de

gaseificação. Além disso, devido a menor relação ar/combustível nesse caso, comparativamente à de

um combustível fóssil, impõe maior área de passagem dos gases na expansão, para uma mesma

potência, devendo assim ser utilizada uma turbina prevista para operação com injeção de vapor, porém

sem que haja tal injeção. A descarga do turbogerador a vapor ocorre em um condensador arrefecido

com água proveniente da torre de resfriamento. O condensado produzido volta ao sistema de água de

alimentação da caldeira, onde também ocorrem as reposições de perdas com água desmineralizada.




A energia elétrica é produzida em geradores independentes, um para cada turbina, os

quais alimentam um barramento no nível de tensão de 13,8 kV. Nesse barramento encontram-se

ligados, por meio de disjuntores, o transformador elevador de tensão para a rede 13,8/69 kV

(subestação principal) e transformadores auxiliares para alimentação da usina que rebaixam a tensão

para os níveis de 4.000V e 400V. A interligação da linha de transmissão com o transformador

principal também é feita via disjuntor.

As principais informações técnicas sobre a planta do Projeto WBP/SIGAME são:

Capacidade Instalada: 30 MW

Eficiência: 43%

Tipo de Ciclo: Ciclo Combinado

Fator de Capacidade Previsto: 80%

Produção Anual de Energia: 210.240 MWh

Consumo de Combustível: 0,75 t / MWh, 0,98 m³ sólidos / MWh




Figura 26. Fluxograma do Projeto WBP - SIGAME

As fases do projeto são:

Fase I: Estudos iniciais (de junho 1991 a março 1992 - concluído)

Fase II: Desenvolvimento dos equipamentos, engenharia básica e infraestrutura operacional (de abril

1992 a outubro 1997 - concluído)

Fase III: Execução (de novembro 1997 a março 2001 - em andamento)

Fase IV: Operação para demonstração (de abril 2001 a março 2004)

Fase V: Operação comercial (depois de abril de 2004)

Tabela 18. Orçamento do projeto em US$ milhões com relação a cada fase

Estimado Comprometido Gasto

Fase I 0.15 0.15 0.15

Fase II 7.7 8.115 7.9

Fase III 98




Fase IV 15

Fase V *

(*) para ser definido

O projeto encontra-se parado a procura de investimentos para continuidade da Fase III.

10. Efeitos da Utilização de Biomassa sobre o Meio-Ambiente e os Aspectos Sócio-Econômicos

“Nenhuma discussão sobre tecnologia em energia é completa sem considerar o ambiente. Nos

anos 70, o mundo estava motivado em conservar, temendo e escassez de combustível, a falta de ‘input’

nos processos termodinâmicos. Nos anos 90, o grande motivador global é o medo de destruir o

ambiente, o excesso de ‘output’ dos processos termodinâmicos [Good, 1994]”. Está observação, ainda

que de um prisma técnico, apresenta duas faces da motivação, ou medo, em relação aos recursos

energéticos e, por que não, dos recursos naturais: a sua finitude e o seu emprego inadequado.

O aproveitamento de biomassa como fonte energética primária para geração de eletricidade e,

completando a economicidade do processo, calor, é uma alternativa completamente condizente com a

realidade de hoje.

Ela apresenta balanço global de gás carbônico nulo, geração de apenas 1% de cinzas que

devem ser aproveitadas ou recicladas, emissão de dióxido de enxofre quase nula, assim como de outros

óxidos provenientes da combustão – variando a quantidade com o processo de queima empregado – e

excelentes impactos na economia e sociedade, por conta da mão-de-obra necessária – cerca de 30

pessoas diretamente na floresta para cada MW instalado na planta de geração, quando do uso de

florestas energéticas [Pretez, 1996] – e do constatado efeito multiplicador da agricultura, que apresenta

o trabalho e a gestão agrícola, em estrutura predominante familiar, como fator mundial de

consolidação da base social e do desenvolvimento. Nos EUA, por exemplo, 2/3 do valor da produção

agrícola vem de unidades familiares [Froehlich, 1997].

Como as fontes renováveis ou “limpas” de energia, em geral, necessitam de grandes áreas para

sua capacitação, por serem de baixa densidade energética, a utilização dos resíduos aparece como

condição inicial importante na geração termoelétrica com biomassa, pois, além de apresentar um custo

zero ou até negativo nos casos de despoluição e manejo do resíduo, seu aproveitamento faz-se quase




que exclusivamente junto à fonte geradora.

Além da baixa eficiência dos processos de conversão, a “biomassa é também prejudicada na

competição com outros energéticos quando se deixa de incorporar diversas vantagens para a sociedade

que são consideradas gratuitas e não oneram o custo dos combustíveis fósseis. O problema de poluição

local e mundial, causada pela queima de combustíveis fósseis, tem um preço para ser combatido, que é

pago pela sociedade e não pelos consumidores dos energéticos poluidores. A criação de emprego é

muito favorecida em plantações de biomassa quando comparada com usinas nucleares e hidrelétricas.

Esses milhares de empregos que podem ser criados pela energia de biomassa é cancelado pelo uso de

energias fósseis, têm um custo que a sociedade paga em vez de estar alocado ao preço do combustível”

[Moreira et el.,op. Cit.]

Com o aproveitamento dos resíduos de biomassa regionalmente disponíveis, é possível atender

a todos os pressupostos que, direta ou indiretamente, conduzem a um modelo de sociedade onde o

crescimento e o desenvolvimento, com base nos recursos naturais e seu gerenciamento racional,

respeite limites técnicos, econômicos e legais. Tudo isto sem penalizar fatias sociais de menor poder

de pressão, ou politicamente desagregados, até porque a divulgação e implantação das melhorias

materiais que acompanham tal geração – ou cogeração termelétrica, terão igualmente um papel

educativo que não deverá ficar restrito ao empresário apenas.

11. Bibliografia

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