UNIVERSIDADE DE SO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOS

FELIPE DA SILVA NASCIMENTO

Desenvolvimento de prottipo de gaseificador de resduos combustveis em leito horizontal

verso corrigida

So Carlos SP

2014

FELIPE DA SILVA NASCIMENTO

Desenvolvimento de prottipo de gaseificador de resduos combustveis em leito horizontal

Dissertao apresentada Escola de

Engenharia de So Carlos da

Universidade de So Paulo como parte

dos requisitos para a obteno do ttulo de

Mestre em Cincias: Engenharia

Hidrulica e Saneamento.

Orientador: Prof. Dr. Nivaldo Aparecido

Corra

So Carlos

2014

AUTORIZO A REPRODUO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Nascimento, Felipe da Silva N244d Desenvolvimento de prottipo de gaseificador de resduos combustveis em leito horizontal / Felipe da Silva Nascimento; orientador Nivaldo Aparecido Corra. So Carlos, 2014.

Dissertao (Mestrado) - Programa de Ps-Graduao

e rea de Concentrao em Hidrulica e Saneamento Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo, 2014.

1. Bagao de cana-de-acar. 2. Energia. 3.

Tratamento trmico. I. Ttulo.

Dedico esse trabalho minha famlia, amigos e aos leitores que

puderem encontrar nessas linhas um guia para realizar um grande

trabalho.

AGRADECIMENTOS

Agradeo com toda sinceridade aos companheiros que mesmo em um breve encontro fizeram parte dessa caminhada.

A toda minha famlia, em especial minha me (Elizabeth), avs (Seda e Eurides) e irmos (Alex, Lvia e Flvia) que estiveram mais presentes nesses anos de mestrado.

Aos novos integrantes Francis e famlia.

Ao professor Nivaldo Corra que tem sido um grande parceiro e orientador na pesquisa, cuja convivncia trouxe vrios ensinamentos

Repblica Cooperativa dos Loucos que foi mais que uma residncia durante esse tempo em So Carlos, cooperados: Zupa, Alecrim (Phillipe), Bidjei (Vincius), Tx (Fernando), Mestre dos Magos (Rogrio), Lombardi (Rafael), Bola (Marcelo), Serjo Malandro (Srgio), Lingine (Joo), Fujo (Diego - Equador), Armrio (Mrio),Viel (Giovani), Cachorro Loko (Gabriel), Mumuca (Murillo), Piru (Carlos Gamarra - Peru), Tiago e tambm, aqueles que junto Cooperativa so grandes amigos que consideramos agregados a nossa turma: Marj, Leandro, Jacque, Tia Loide, Marlia, Marisco, Pri.

Aos colegas e amigos que desde o incio, trabalhamos e festejamos nessa estrada: Pauleta, Tetinha, Cebola, Fred, Nego, Carli, Ju, Karen, Carol, Dico, Bobo, Transo, Irlands, Jairo, Ana Paula, Andressa, Las, Fr, Andrezo, Samurai, Portuga, Sami,

Aos novos colegas: Crdoba, Monstro, Xamego, Pimpo, Ivan, Gabi, Drica, Mari, Thas, Poty, Z, Toninha, Anne, Char, Vitria, Jlia, Perri, Quixeramobim, Bel, Marco, Plnio, Pariconha, Goiaba, Dani, Mineiro, Schaaf, Lo, Thalita, Tiago, Dayane, Mahl, Roger, Pedro (espanhol), Clara, Ina, Juliana, Leandro, Aline, Patrick, Juan, Joo Chiabai, Pedro Gonalves, Marcon, Carol.

companheira Priscila que me apoiou com uma grande amizade.

Aos irmos que foram acolhidos pelo pai Nivaldo: Nayara, Andreza, Elaine, Guilherme e Natlia.

Aos grandes amigos desde muito tempo: Cabrito (Pablo), Azul (Artur), ET (Douglas), Fred

(Frederico Nogueira), galera de Viosa e da Engenharia Agrcola e Ambiental, Luan Giovanelli, Patetinha (Mrcio), Schuery (Filipe), Lucas, Calouro (Andr).

Ao pessoal do Departamento de Hidrulica e Saneamento, principalmente, Rose, Valdir, Luiz Daniel, S, Priscila.

Aos colaboradores da pesquisa (citando alguns): Alcino, Janja e a equipe do LPB, Brgamo, Chico, Pedro e Flvio (oficina mecnica);

Aos funcionrios da Us. So Martinho: Michele Pires e Cludio Frazo pela ateno

dispensada para adquirir a biomassa de cana-de-acar.

Nitimur in vetitum: sob este signo minha filosofia h de vencer um dia, porque at

agora a nica coisa que foi proibida sempre, por princpio, foi a verdade.

Friedrich Nietzsche

RESUMO

NASCIMENTO, F. S. Desenvolvimento de prottipo de gaseificador de resduos combustveis em leito horizontal. 2014. 103f. Dissertao (Mestrado) Escola de Engenharia de So Carlos,

Universidade de So Paulo, So Carlos, SP. 2014

As vantagens de um sistema gaseificador como soluo energtica na gesto de

resduos slidos urbanos incentivaram o desenvolvimento de um sistema de

gaseificao que opere na horizontal, ou parcialmente inclinado, e que utilize vrios

tipos de resduos, principalmente os classificados como biomassa para a gerao de

gs combustvel ou de sntese. O gaseificador tem sido fortemente recomendado

como uma tecnologia promissora para o tratamento trmico dos resduos slidos,

nesse trabalho experimentou-se algumas biomassas como matria-prima para o

prottipo, e atualmente tem sido testado o bagao da cana-de-acar como

biomassa a testar na co-gaseificao com os resduos slidos municipais, devido a

sua abundncia na regio, alm da sua capacidade trmica. Com isso, desafios

como a destinao final dos resduos slidos urbanos, eliminao dos lixes

atendendo s responsabilidades estabelecidas na Lei Federal do Saneamento

Bsico (Lei n 11.445/2007) e na Poltica Nacional de Resduos Slidos PNRS (Lei

n 12.305/2010) e melhorar as fontes de energia complementares energia das

usinas hidroeltricas, base da matriz da energia eltrica brasileira, buscando uma

alternativa ambientalmente segura e economicamente vivel, podem ser superados.

O gaseificador, ainda no demonstra resultados relevantes quanto aos seus

produtos gerados, contudo, a pesquisa inovadora e sugere mais investimentos

para seu avano, tendo como resultados parciais a deteco, pelo cromatgrafo, dos

gases: Hidrognio, nitrognio, metano e dixido de carbono, tanto com o reator

aberto quanto fechado.

Palavras-chave: Bagao de cana-de-acar.Energia.Tratamento trmico.

ABSTRACT

NASCIMENTO, F. S. Development of gasifier prototype fuel waste in

horizontal bed. 2014. 103f. Dissertao (Mestrado) Escola de

Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, So Carlos, SP.

2014

The advantages of a gasifier system as energy solution in the management of

municipal solid wastes encouraged the development of a gasification system that

operates horizontally, tilted or partially, and uses various types of waste, especially

those classified as selective collection of waste as material to generate fuel gas or

synthesis. The gasifier has been strongly recommended as a promising technology

for the thermal treatment of solid waste, in this study experienced are some biomass

as feedstock for the prototype, and currently it has been tested bagasse from sugar

cane as biomass testing in co-gasification with municipal solid waste, due to its

abundance in the region beyond its thermal capacity. Thus, challenges such as the

disposal of municipal solid waste, elimination of landfills, that meet the responsibilities

set out in the Federal Law of Sanitation (Law No. 11.445/2007) and the National

Policy on Solid Waste - PNRS (Law No. 12.305/2010) and improve additional

sources of energy from hydroelectric energy, base matrix of Brazilian electricity,

seeking an alternative environmentally safe and economically viable. The gasifier, yet

shows results relevant to their products as generated, however, this research is

innovative and suggests more investment to its advancement, having as partial

results the detection of gases, by the chromatograph: hydrogen, nitrogen, methane

and carbon dioxide, with the reactor open and the closed mode.

Keywords: Sugar cane bagasse. Energy. Heat treatment

LISTA DE TABELAS

Tabela 01 Caractersticas dos gaseificadores .............................................................. 23

Tabela 02 Configuraes de gaseificadores .................................................................. 24

Tabela 03 Contaminantes do gs de sntese .................................................................. 29

Tabela 04 Caractersticas gs de sntese desejveis para diferentes aplicaes ...... 35

Tabela 05 Condies individuais de operao dos gaseificadores de RSU ............... 38

Tabela 06 Composio do syngas derivado do uso de RSU como biomassa. ........... 39

Tabela 07 Emisses de gaseificao de biomassa ....................................................... 40

Tabela 08 Anlise imediata e final da biomassa madeireira (base mida) .................. 44

Tabela 09 Caractersticas nominais do gaseificador descendente com suprimento de ar em duplo estgio ........................................................................................................... 45

Tabela 10 Componentes do bagao de cana-de-acar ............................................... 58

Tabela 11 Anlise de potencial do bagao de cana-de-acar como matria-prima para o gaseificador ............................................................................................................ 58

Tabela 12 Gerao mdia per capita de resduos slidos urbanos no Brasil. ............ 60

Tabela 13 Emisses evitadas por tecnologia. ............................................................... 64

Tabela 14 Anlise final e imediata do bagao ................................................................ 66

Tabela 15 Componentes eltricos do sistema gaseificador ........................................ 68

Tabela 15 Quantificao dos gases obtidos pela cromatografia ................................. 86

Tabela 16 Mdia e desvio padro dos gases obtidos pela cromatografia .................. 86

Tabela 17 Limites de deteco (LD) e de quantificao (LQ): ...................................... 87

Tabela 18 Tempo de reteno dos gases; equaes de calibrao e coeficiente de determinao das curvas .................................................................................................. 88

SUMRIO

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

2. OBJETIVOS ......................................................................................................... 19

3. REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................. 20

3.1 Gaseificao ......................................................................................................... 20

3.2 Gaseificadores - Estado da arte ............................................................................ 27

3.2.1 Preparo da matria-prima....................................................................................... 27

3.2.2 Condicionamento do syngas .................................................................................. 28

3.2.3 Co-gaseificao ..................................................................................................... 31

3.2.4 Aplicaes do gs de sntese ................................................................................. 32

3.2.5 Aplicaes do gs combustvel .............................................................................. 33

3.2.6 Avaliao dos resultados: Condies de operao ................................................ 37

3.2.7 Composio do gs de sntese .............................................................................. 38

3.2.8 Emisses ............................................................................................................... 39

3.2.9 Equipamento de suporte ........................................................................................ 41

3.2.10 Potencial de aplicaes .......................................................................................... 41

3.2.11 A necessidade de avaliao dos dados .................................................................. 43

3.2.12 GASEIFICAO DE MADEIRA COMO BIOMASSA .............................................. 43

3.2.13 REATOR COM LEITO FLUIDIZADO 4FBR ........................................................ 48

3.2.14 REATOR DE LEITO FLUIDIZADO BORBULHANTE ALIMENTADO COM CASCAS DE ARROZ .......................................................................................................................... 52

3.2.15 Biomassa na secagem de produtos agrcolas via gaseificao com combusto adjacente dos gases produzidos .......................................................................................... 56

3.3 Biomassa .............................................................................................................. 56

3.3.1 Bagao de cana-de-acar .................................................................................... 57

3.3.2 Resduos Slidos ................................................................................................... 59

3.4 Aproveitamento Energtico de Resduos ............................................................... 63

4. MATERIAL E MTODOS ....................................................................................... 65

4.1 Montagem do experimento .................................................................................... 65

4.2 Sequncia de funcionamento ................................................................................ 67

4.3 Operao do sistema ............................................................................................ 71

4.4 Anlise dos gases ................................................................................................. 73

5. RESULTADOS E DISCUSSO ............................................................................. 76

5.1 Desenvolvimento do sistema ................................................................................. 76

5.1.1 Montagem do suporte ............................................................................................ 76

5.1.2 Sistema transportador da matria-prima ................................................................ 77

5.1.3 Matria-prima ......................................................................................................... 78

5.1.4 Sistema de suco dos gases ................................................................................ 80

5.1.5 A combusto parcial ............................................................................................... 82

5.1.6 Trocador de calor ................................................................................................... 83

5.2 Produtos gerados .................................................................................................. 85

5.2.1 Compostos gasosos ............................................................................................... 85

5.2.2 Compostos lquidos ................................................................................................ 89

6. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS: .................................................... 91

7. CONCLUSO ....................................................................................................... 93

REFERNCIAS ................................................................................................................... 94

ANEXOS ............................................................................................................................. 98

15

1. INTRODUO

Durante todo o sculo XX, a oferta excessiva de energia, obtida

principalmente a partir dos combustveis fsseis como petrleo e carvo mineral, deu

suporte ao crescimento e s transformaes da economia mundial. J nos primeiros

anos do sculo XXI, o cenrio mudou ao ser colocado prova por uma nova

realidade: a necessidade do desenvolvimento sustentvel (ANEEL, 2008).

Segundo a ANEEL (2008), desde o incio dos anos 90, estudiosos e cientistas

alertavam para os efeitos da deteriorao ambiental provocada pela ao humana.

Um deles o aquecimento global, provocado pelo elevado volume de emisses dos

gases causadores do efeito estufa (GEE), particularmente o dixido de carbono

(CO2), liberado em larga escala nos processos de combusto dos recursos fsseis

para produo de calor, vapor ou energia eltrica. Outro, a possibilidade de

esgotamento, no mdio prazo, das reservas de recursos naturais mais utilizadas.

Entre elas, carvo mineral e petrleo. Do ponto de vista econmico, este ltimo, por

sinal, durante quase uma dcada foi caracterizado pela volatilidade e tendncia de

alta das cotaes (que superaram US$100,00 por barril em 1980 e, mais

recentemente, em 2008), o que se revelou como um forte estmulo para as iniciativas

de substituio por outras fontes.

A atividade de produo de energia e, particularmente, da energia eltrica

ingressou no sculo XXI, portanto, em busca do desenvolvimento sustentvel,

conceito que alia a expanso da oferta, consumo consciente, preservao do

ambiente e melhoria da qualidade de vida. o desenvolvimento capaz de suprir as

necessidades da gerao atual, sem comprometer a capacidade de atender as

necessidades das futuras geraes, ou seja, que no esgota os recursos para o

futuro. Em outras palavras: o desafio reduzir o impacto ambiental negativo e, ao

mesmo tempo, ser capaz de suportar o crescimento da demanda (ANEEL, 2008).

A expanso acentuada do consumo de energia, embora possa refletir o

aquecimento econmico e a qualidade de vida, tem aspectos negativos. Um deles

a possibilidade do esgotamento dos recursos utilizados para a produo de energia.

Um segundo o impacto ao meio ambiente produzido por essa atividade.

Finalmente, um terceiro so os elevados investimentos exigidos na pesquisa de

novas fontes e construo de novas usinas (ANEEL, 2008).

16

Fernandes (2003) afirma que devemos buscar o desenvolvimento de

tecnologias sustentveis para a gerao de energia. Estas tecnologias visam

apresentar uma alternativa para o petrleo como principal fonte energtica da nossa

civilizao. Como o petrleo e o carvo no so fontes renovveis, so necessrias

alternativas para suprir a demanda energtica futura da sociedade.

A busca no se reduz a um nico substituto para o petrleo, e sim na

possibilidade de coexistirem vrias fontes alternativas, propondo a mudana da

estrutura tecnolgica e energtica. Significa que necessrio tornar

economicamente viveis, propostas como: co-gerao energtica, gerao

descentralizada de energia eltrica, pequenas centrais geradores, combustveis

renovveis e at mesmo fontes de fornecimento irregular de energia elica e a

converso de energia solar por clulas fotovoltaicas (FERNANDES, 2000; 2003).

O governo brasileiro, atravs das RESOLUO NORMATIVA N 482, DE 17

DE ABRIL DE 2012; LEI N 10.438, DE 26 DE ABRIL DE 2002; LEI N 9.478, DE 6

DE AGOSTO DE 1997; entre outras, incentiva e orienta a utilizao de fontes

alternativas de energia para promover o desenvolvimento, ampliar o mercado de

trabalho e valorizar os recursos energticos, proteger os interesses do consumidor

quanto a preo, qualidade e oferta dos produtos; proteger o meio ambiente e

promover a conservao de energia; e vrios outros benefcios (MMA, 2012).

A recuperao e o aproveitamento energtico como objetivo da Poltica

Nacional de Resduos Slidos, Lei 12.305 de 2 de agosto de 2010, traz consigo a

adoo, desenvolvimento e aprimoramento de tecnologias limpas como forma de

minimizar impactos ambientais, a capacitao tcnica continuada na rea de

resduos slidos, o incentivo ao desenvolvimento de sistemas de gesto ambiental e

empresarial voltados para a melhoria dos processos produtivos e ao

reaproveitamento dos resduos slidos (MMA, 2010). Tendo metas como, reduzir a

quantidade de rejeitos encaminhados para a disposio final ambientalmente

adequada, remete a explorar o potencial energtico desses rejeitos.

Conforme Lora et al. (2012), resduos domiciliares e uma grande quantidade

de rejeitos industriais que possuem na sua maior parte compostos orgnicos de

longa cadeia de carbono, podem ser transformados em molculas orgnicas

menores para uma finalidade de oxidao para a obteno de energia. A queima

direta tambm pode ser vivel, entretanto se forem consideradas operaes de

17

armazenamento, transporte e usos mais nobres dos compostos reformados, outras

operaes de queima parcial seriam mais interessantes. Essas operaes so

basicamente duas, dependendo do grau de oxidao que se impe no

processamento:

Pirlise queima de material na ausncia de oxignio, onde se obtm muitos gases volteis e leos pirolticos com capacidade combustvel, alm de

grande quantidade de alcatro.

Gaseificao queima parcial do material com quantidades reguladas de oxignio, onde os principais produtos so os gases de reforma, metano,

hidrognio e monxido de carbono, interessantssimos para queima direta em

motores de exploso e como molculas bsicas para reaes de produtos

para outros interesses.

Em qualquer um dos processos, sempre haver formao de alcatro, cinzas

ou carvo. O alcatro tambm tem seu valor comercial, como insumo agrcola

biocida, ou ainda como piche para pavimentao, aps sua queima. O carvo pode

ser aproveitado em novas queimas. As cinzas devero ir para o aterro ou serem

encapsuladas por meio de solidificao em materiais de construo, como tijolos,

telhas, pavimentos, entre outros. Evidentemente, tambm haver formao de

muitos outros compostos com enxofre e nitrognio, principalmente. Muitos desses

podem ser nocivos se forem emitidos no ar ou na gua. Nessa etapa, com em

qualquer outra de processamento industrial, necessrio que haja procedimentos

operacionais de tratamento do efluente lquido ou gasoso.

Os equipamentos usuais para realizar essas operaes, baseiam-se em leitos

fixos deslizantes e fluidizados, sempre considerando a direo vertical de

movimentao devido ajuda da fora gravitacional como agente motora ou de

mistura do meio particulado. possvel ter alturas de leito que proporcionem etapas

diversificadas de processamento do material, partindo desde a completa queima na

parte inferior, passando por gaseificao, pirlise at a secagem na parte superior,

por onde o material alimentado. Um equipamento multioperacional de fato muito

interessante, ao se considerar que o material de resduo sempre vem disposto de

altos teores de umidade. Esses equipamentos devido a sua altura com relao a

base, devem considerar um sistema de transporte vertical, seja por rampas,

18

gndolas, esteiras ou helicides, o qual tem a sua parcela energtica a ser subtrada

do montante produzido.

Na tentativa de aproveitar essa parcela e ainda tornar a operao mais

facilitada, prope-se testar um equipamento de queima que opere na horizontal, ou

parcialmente inclinado, onde o transportador, no caso helicoidal, j pressione o

material para dentro da cmara de combusto, ou que parte da combusto, ou

secagem, possa ser feita dentro do prprio duto de umahelicide (rosca sem fim ou

transportador de parafuso).

19

2. OBJETIVOS

Desenvolver um gaseificador horizontal capaz de gerar gs combustvel, ou

de sntese, a partir de mltiplos resduos.

Objetivo especficos:

Explorar a regulao da alimentao do resduo e do ar para se obter maior

eficincia, com base em medidas de teores de algum dos componentes

gasosos gerados (metano, hidrognio ou monxido de carbono);

Explorar o potencial energtico do rejeito da coleta seletiva como material

combustvel conciliando diferentes biomassas;

Desenvolver um sistema de transporte com parafuso helicoidal;

Propor usos para os produtos gerados.

20

3. REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 Gaseificao

A soluo para vrios problemas com resduos slidos no Brasil pode estar na

gaseificao. Segundo relato da FAPESP, em 2012 a produo de biocombustvel

pela gaseificao de biomassa foi tema de simpsio internacional na FAPESP em 17

de Setembro.Pesquisadores brasileiros e da Alemanha, Austrlia, Sucia e Reino

Unido participaram de um simpsio sobre gaseificao de biomassa no dia 17 de

Outubro, em So Paulo. Organizado em conjunto pela Fundao de Amparo

Pesquisa do Estado de So Paulo (FAPESP) e pelo Instituto de Pesquisas

Tecnolgicas (IPT), o encontro discutiu tecnologias, processos de produo e

operao de usinas piloto para obteno de combustveis a partir da transformao

de biomateriais slidos e lquidos em gases, para uso como biocombustveis.

Fernando Landgraf, diretor-presidente do IPT, exps o Programa Biosyngas,

desenvolvido pelo Instituto para a obteno de gs de sntese a partir de materiais

alternativos aos de origem fssil.

A gaseificao de biomassa a combusto incompleta da biomassa que

resulta na produo de gases combustveis contendo monxido de carbono (CO),

hidrognio (H2) e traos de metano (CH4). Esta mistura chamada gs de sntese.

Gs de sntese pode ser usado para acionar motores de combusto interna (tanto

compresso e fasca de ignio), pode tambm ser um substituto para leo de forno

em aplicaes de calor direto e para produzir, de forma economicamente vivel,

metanol - um produto qumico extremamente atrativo o qual til tanto como

combustvel para mquinas trmicas bem como matria-prima qumica para

indstrias. J que, qualquer biomassa pode ser submetida gaseificao, este

processo mais atrativo que a produo de etanol ou biogs, onde apenas certos

tipos de biomassa pode produzir o combustvel (RAJVANSHI, 1986).

A produo de gs gerador (gs de sntese) chamada gaseificao, a

combusto incompleta de combustvel slido (biomassa) e ocorre em temperaturas

em torno de 1000 C. O reator onde isto ocorre o gaseificador (RAJVANSHI, 1986).

21

Os produtos da combusto completa de biomassa geralmente contm

nitrognio (N2), vapor dgua (H2O(g)), dixido de carbono(CO2) e um excesso de

oxignio (O2). Contudo na gaseificao onde existe um excesso de combustvel

slido (combusto incompleta) os produtos da combusto so gases combustveis

como monxido de carbono (CO), hidrognio (H2) e traos de metano (CH4) e outros

produtos como alcatro e cinzas. A produo destes gases pela reao do vapor

dgua e dixido de carbono atravs de uma camada fulgurosa de carvo. Ento, a

chave para um projeto de gaseificao criar condies que a) a biomassa

reduzida (transformada) em carvo e, b) o carvo convertido na temperatura

adequada para produzir CO e H2 (RAJVANSHI, 1986). Abaixo, na figura 1, tem-se

uma ilustrao bsica da gaseificao.

Figura 01: Gaseificao de biomassa

Fonte: Rajvanshi (1986)

A gaseificao tem como vantagens: permanncia das cinzas e do carbono

residual no gaseificador, diminuindo assim a emisso de partculas; obteno de

combustvel resultante limpo, no havendo na maioria dos casos necessidade de

controle de poluio; associada a catalisadores, como alumnio e zinco, a

gaseificao aumenta a produo de hidrognio e de monxido de carbono e diminui

a produo de dixido de carbono. A gaseificao tem pois impacto no s na

economia do hidrognio, como na captura do dixido de carbono. A gaseificao da

22

biomassa, aparece, como alternativa limpa e renovvel de energia, com grande

possibilidade de aplicao em pases com grandes reas cultivveis, em climas

tropicais, onde a taxa de crescimento dos vegetais alta (SANTOS et al, 2010).

De acordo com Vale et al. (2000) quanto menor o teor de umidade maior ser

a produo de calor por unidade de massa, na madeira, o que determina que o teor

de umidade uma caracterstica a ser controlada ao utilizar biomassa para gerar

energia, haja vista que, segundo Brito1 (1986, apud GONALVES et al., 2009), a

presena de gua representa poder calorfico negativo, pois parte da energia

liberada gasta na vaporizao da gua e se o teor de umidade for muito varivel,

poder dificultar o processo de combusto, havendo necessidade de constantes

ajustes no sistema.

Um dos maiores desafios na produo de biocombustveis a partir da

gaseificao e sntese a formao, durante o processo de gaseificao, de

espcies com alto peso molecular chamadas alcatres. Alcatres diminuem a partir

da produo do gs de sntese (syngas) e tem que ser removido previamente ao

passo de sntese de combustvel para prevenir a desativao dos catalisadores e

incrustantes do equipamento do processo (GASTON et. al., 2011).

No gaseificador as paredes so geralmente forradas com materiais refratrios

e isolantes, que servem a trs propsitos: (1) eles reduzem a perda de calor atravs

das paredes, (2) eles agem como um armazenador trmico para auxiliar na ignio

de biomassa fresca, e (3) eles protegem o metal da corroso (BASU, 2010).As

reaeschegam a temperaturas de aproximadamente 850 C, sob condies de

presso atmosfrica ou sob elevada presso Brand (2010 apud FEAM, 2012).

Na tabela 01 esto reportadas algumas caractersticas gerais dos

gaseificadores:

1 BRITO, J. O. Madeira para a floresta: A verdadeira realidade do uso de recursos florestais.

Silvicultura, v.11, n.41, p.188-193. 1986.

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Tabela 01 Caractersticas dos gaseificadores

Caractersticas Variaes

Poder calorfico do gs produzido Baixo: at 5 MJ/Nm (997 kcal/kg)

Mdio: 5 a 10 MJ/Nm (997 a 1.993 kcal/kg)

Alto: 10 a 40 MJ/Nm (1.993 a 7.972 kcal/kg)

Tipo de agente gaseificador Ar, vapor d'gua, oxignio, hidrognio

(hidrogaseificao)

Tipo de leito Fixo: corrente paralela ou contracorrente

Fluidizado: borbulhante ou circulante

Presso de trabalho Baixa: presso atmosfrica

Pressurizado: at 6 Mpa (59,2 atm)

Natureza da biomassa Resduos agrcolas, industriais ou slidos

urbanos (lixo)

Biomassa in natura, peletizada ou pulverizada

*Para gases expresso em unidade de energia por volume. Para converter MJ/Nm em kcal/kg, deve-

se multiplicar o valor por 239,2 kcal/MJ e dividir pela massa especfica em kg/Nm. As converses

nesta tabela, reportadas entre parnteses, adotam massa especfica mdia de 1,2 kg/Nm,

considerando dados de Caputo (2009): valores para biomassa entre 1,07 e 1,25 kg/Nm, conforme a

composio do syngas, decorrente do processo de gaseificao.

Fonte: FEAM (2012)

Uma variedade de gaseificadores de biomassa tm sido desenvolvidos. Eles

podem ser agrupados em 4 grandes classificaes: Leito fixo ascendente, leito fixo

descendente, leito fluidizado borbulhante e leito fluidizado circulante. A diferenciao

est baseada nos meios de suporte da biomassa no reservatrio do reator, a direo

do fluxo da biomassa e do oxidante, e o modo como o calor suprido para o reator.

24

Na tabela 02 listam-se as configuraes mais usadas (CIFERNO; MARANO, 2002).

E mais abaixo, na figura 2, encontra-se algumas ilustraes dos fluxos do material e

das zonas formadas no processo.

Tabela 02 Configuraes de gaseificadores

Tipo de

gaseificador

Direo do fluxo Velocidade

do

combustvel

Suporte Fonte de Calor

Combustvel Oxidante

Leito fixo

contracorrente

Descendente Ascendente Nenhuma Grelha Combusto do carvo

Leito fixo

concorrente

Descendente Descendente Nenhuma Grelha Combusto parcial de volteis

Leito fluidizado

borbulhante

Ascendente Ascendente 1 m/s Nenhum Combusto parcial de volteis e carvo

Leito fluidizado

circulante

Ascendente Ascendente 7 a 10 m/s Nenhum Combusto parcial de volteis e carvo

Fonte: Reed; Siddhartha (2001). Bridgwater; Evans (1993). Paisley et al. (2001). Ciferno e

Marano (2002).

25

Figura 02: Zonas de gaseificao nos gaseificadores: 1) Fluxo ascendente; 2) Fluxo descendente e 3) Fluxo cruzado

Fonte: Rajvanshi (1986, traduo do autor).

Para formar a base de suporte de um leito fluidizado, normalmente se utiliza

areia, que representa um grande reservatrio trmico capaz de atenuar grandes

variaes de umidade por perodos relativamente longos, no combustvel

alimentado, ao contrrio de caldeiras de grelha (FEAM, 2012).

Para a gerao de energia em ciclos termeltricos utiliza-se principalmente a

gaseificao pressurizada, entretanto esses sistemas apresentam problemas ainda

no solucionados, como a alimentao de combustvel, a reduo do teor de

alcatro do gs, os xidos de nitrognio produzidos e a filtragem do gs quente,

Henriques1 (2004 apud FEAM, 2012).

1HENRIQUES, R. M. Aproveitamento energtico dos resduos slidos urbanos: uma abordagem

tecnolgica. Rio de Janeiro: UFRJ, 2004, 204 p. Originalmente apresentada como tese de mestrado

26

A tcnica de gaseificao , em princpio, extremamente verstil, mas existem

muitos problemas em transformar este potencial terico em uma tecnologia vivel e

prtica. Na maior parte dos casos, as dificuldades residem no no processo bsico

de gaseificao, mas sim no projeto de um equipamento que deve produzir um gs

de qualidade, com confiabilidade e segurana, adaptado s condies particulares

do combustvel e da operao (FEAM, 2012).

Segundo a FEAM (2012), as principais exigncias tcnicas operacionais

considerando informaes em literaturas, referentes a pesquisas e implantaes

comerciais principalmente para gaseificao de madeira, casca de arroz, palha e

outros resduos agrcolas, verificam-se:

Taxa de alimentao do gaseificador;

Presso e temperatura do processo;

Relao ar/combustvel;

Sistema de limpeza dos gases antecedendo seu aproveitamento energtico;

Sistema de remoo de cinzas.

Brand1 (2010 apud FEAM, 2012) orienta que os materiais mais indicados para

a gaseificao como forma de aproveitamento energtico so resduos ligno-

celulsicos com baixa umidade (menos de 40%) como palha de cereais, cavacos de

madeira, cascas de frutos, serragem, resduos urbanos, resduos animais, lodo de

esgoto e outros.

Os sistemas de tratamento/controle das emisses atmosfricas devem

contemplar os principais problemas a respeito dos gases de gaseificao: material

particulado (causa a eroso das palhetas das turbinas a gs), metais alcalinos

(devido corroso e deposio nas palhetas) e o alcatro (causa o bloqueio dos

filtros de particulados) (FEAM, 2012).

em Cincias em Planejamento Energtico, Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro,

2004.

1 BRAND, M. A. Energia de biomassa florestal. Rio de Janeiro: Intercincia, 2010. 131p.

27

3.2 Gaseificadores - Estado da arte

Na figura 03, tem-se um resumo do histrico da gaseificao:

Figura 03: Marcos histricos no desenvolvimento da gaseificao

Fonte: Basu (2010)

Os trabalhos a seguir so algumas das atualidades relacionadas tecnologia

dos gaseificadores, tanto plantas em operao quanto estudos cientficos, a

presente pesquisa identificou que a gaseificao tem sido amplamente estudada o

que sugere que seu potencial deve estar alm dos trabalhos apresentados.

3.2.1 Preparo da matria-prima

O preparo da matria-prima da biomassa pode ser dividido em dois passos:

Seleo/reduo do tamanho do material e sua secagem. Os custos aumentam pela

dificuldade de manusear o material (por exemplo, a palha) e material com umidade

alta (>30%) que requerem uma extensiva secagem prvia para a gaseificao.

Vrios mtodos so adequados para prover um abastecimento contnuo de matria-

prima para o gaseificador. H um consenso, no entanto, que algumas dificuldades

28

continuam a existir na manuteno de uma biomassa de manuseio seguro,

armazenamento, e sistema de alimentao, no caso de um gaseificador atmosfrico

ou pressurizado. Estes resultados inconsistentes de umidade, densidade, tamanho e

teor de energia trmica da maioria das matrias-primas da biomassa, por exemplo, a

manipulao mecnica de palha difcil, devido sua baixa densidade (

29

ou mais dos contaminantes listados na tabela 03. A identidade e quantidade destes

contaminantes dependem do processo de gaseificao e o tipo de matria-prima.

Tabela 03 Contaminantes do gs de sntese

Contaminante Exemplo Problema potencial

Particulados Cinzas, coque (char),

material fluido no leito

Eroso

Metais alcalinos Compostos de sdio e

potssio

Corroso quente,

envenenamento catalisador

Compostos nitrogenados NH3 e HCN Emisses

Alcatres Aromticos refrativos Entupimento dos filtros

Enxofre e cloro H2S e HCl Corroso, emisses,

envenenamento catalisador

Fonte: Gray, Tomlinson e Berger1(1996 apud CIFERNO; MARANO, 2002).

Alcatres so, em sua maioria, hidrocarbonetos polinucleares (tal como pireno

e antraceno) que podem entupir vlvulas dos motores, causar deposio nas

lminas das turbinas ou incrustaes no sistema de uma turbina levando reduo

da performance e aumentando a manuteno.

Sistemas convencionais de lavagem so geralmente a escolha de tecnologia

para remover alcatro do gs de sntese produzido. Contudo, a lavagem esfria o gs

e produz um fluxo de resduos indesejados. Uma opo a remoo de alcatres

pelo craqueamento cataltico que reduz os hidrocarbonetos de cadeia longa ou

elimina este fluxo de resduos, elimina a ineficincia de arrefecimento de lavagem, e

aumenta a produo de gs em qualidade e quantidade.

1 Gray, D.; Tomlinson, G.; Berger, M. Techno-Economic Assessment of Biomass Gasification Technologies for Fuels and Power. Produced by The MITRE Corporation for The National

Renewable Energy Laboratory, Under Contract No.AL-4159, January. 1996.

30

Um exemplo de tecnologia de craqueamento de alcatro um desenvolvido

pela Battelle usando catalisador de craqueamento descartvel em conjunto com a

adio de vapor Wiant, Bryan e Miles1 (1998 apud CIFERNO; MARANO, 2002

traduo do autor). O craqueamento realizado atravs da seguinte reao [1]:

[1]

O catalisador de Battelle tem tambm atividade de deslocamento gua/gs

(water-gas shift). Isto aumenta o teor de hidrognio do gs produzido de modo que

seja adequado para a clula de combustvel e outras aplicaes.

A biomassa convertida incompletamente e a remoo de cinza particulada

realizada com ciclones, lavagem de gases (wetscrubbing), ou filtros de alta

temperatura Carty, Lau, De Long, Wiant, Bachovchin e Ruel2 (1995 apud CIFERNO;

MARANO 2002),Carty, Bryan, Lau e Abbasian3 (1995 apud CIFERNO;

MARANO).Lavagem gua de gases (waterscrubbing) pode remover at 50% de

alcatro no gs produzido, e quando seguida de um lavador Venturi, o potencial de

remoo dos alcatres remanescentes aumenta para 97% Stultz e Kitto4, (1992

apud CIFERNO; MARANO, 2002 traduo do autor).

1 WIANT, B.; BRYAN, B.; MILES, T. Hawaiian Biomass Gasification Facility: Testing Results and Current Status. Institute of Gas Technology. BioEnergy 1998 Conference, Madison WI, October 1998.

2CARTY, R. H.; LAU, F.S.; DELONG, M.; WIANT, B.C.; BACHOVCHIN, D.M.; RUEL, R.H.

Commercialization of the Renugas Process for Biomass Gasification, Institute of Gas

Technology. 13 EPRI Conference on Gasification Power Plants. 1994.

3 CARTY, R. H.; BRYAN, B. G.; LAU, F.S.; ABBASIAN, J.M. Status of the Commercialization of IGT Gasification Technologies. Institute of Gas Technology. EPRI Conference on New Power Generation

Technology, San Francisco CA, October. 1995.

4 STULTZ, S.C.;KITTO, J.B. Steam - its generation and use. The Babcock & Wilcox Company,

Barberton, Ohio USA, 1992.

31

3.2.3 Co-gaseificao

A co-gaseificao de carvo e biomassa uma rea relativamente nova de

pesquisa. Resultados preliminares de vrios estudos pilotos tm mostrado efeitos

promissores em termos de qualidade do gs de sntese e reduo do impacto

ambiental negativo. Embora o carvo seja o combustvel fssil mais abundante no

mundo e extensivamente usado na gerao de energia, ele tem causado um srio

impacto no ambiente como evidenciado pela chuva cida provocada pelas emisses

de SOx e NOx (LAU1, 1997 apud CIFERNO; MARANO, 2002). Emisses de gs CO2

do efeito estufa durante a combusto do carvo tambm se tornaram um dos

maiores interesses globais. A biomassa tem um teor enrgico menor que o carvo;

contudo, seu uso para produo de energia pode contribuir significantemente para a

reduo de emisses da rede de CO2. Esses dois combustveis, quando co-

gaseificados, exibem sinergia com respeito s emisses totais, incluindo as

emisses de gases de efeito estufa, sem sacrificar o teor de energia do produto

gasoso.

Lau e Carty2 (1994 apud CIFERNO; MARANO, 2002 traduo do autor)

apresenta um bom nmero de opes para integrar carvo e biomassa dentro de um

processo de co-gaseificao. Elas esto apresentadas a seguir:

1) Co-alimentao biomassa e carvo no gaseificador com uma mistura;

2) Co-alimentao biomassa e carvo na gaseificao usando sistemas de

alimentao separados;

3) Pirolisando a biomassa e seguindo pela co-alimentao de carvo pirolisado e

carvo para o gaseificador;

4) Gaseificando a biomassa e o carvo em gaseificadores separados seguindo para

uma limpeza combinada de gs.

1LAU, F. S. The Hawaiian Project. Institute of Gas Technology, Presented at the Biomass Gasification Utility Scale Demonstration Projects Meeting, Brussels, Belgium, October. 1997.

2 LAU, F.S.; CARTY, R. H. Development of the IGT Renugas Process. Institute of Gas Technology,

Presented at the 29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Monterey CA,

August. 1994.

32

Cada abordagem, como na figura 04, tem benefcios e desvantagens e em

ltima anlise, a melhor escolha depender dos resultados de mais pesquisas e

anlises.

Figura 04: Opes de integrao para co-gaseificao de carvo/biomassa Fonte: Ciferno e Marano (2002)

3.2.4 Aplicaes do gs de sntese

A composio do gs de sntese proveniente da gaseificao de biomassa ir

variar baseada em vrios fatores, incluindo o tipo de reator, matria-prima e

condies de processo (temperatura, presso etc.). A figura abaixo retrata as opes

de uso final discutidas no estudo de Ciferno e Marano (2002). Neste estudo so

considerados o combustvel especfico e as aplicaes qumicas: combustveis

obtidos pelo mtodo de Fischer-Tropsch, metanol e hidrognio. Na figura 05 est

apresentado um resumo das opes conhecidas de converso do syngas.

33

Figura 05: Opes de converso do gs de sntese

fonte: Ciferno e Marano (2002)

3.2.5 Aplicaes do gs combustvel

A biomassa pode produzir energia eltrica por meio de uma combusto direta

numa caldeira a vapor. A eficincia total de converso da biomassa para eletricidade

limitada pela eficincia terica da gerao de energia numa turbina a vapor, a alta

umidade inerente da biomassa como matria-prima, e por causa dos tamanhos da

planta do sistema de biomassa, tipicamente os menores. A eficincia do sistema de

biomassa para turbina a vapor est entre 20 e 25%. A gerao de energia pode ser

completada via gaseificao de biomassa, seguida por um motor de combusto,

turbina de combusto, turbina a vapor ou clula de combustvel. Estes sistemas

podem produzir tanto calor quanto energia (Associao calor e energia) e pode

alcanar timas eficincias no sistema em torno de 30 a 40% (TURN1, 1999 apud

CIFERNO; MARANO, 2002). O sistema de gerao de energia empregado

estabelece as especificaes do gs de sntese. H uma maior amplitude no que diz

respeito composio do gs de sntese para combusto em motor do que para

1 TURN, S.Q. Biomass integrated gasifier combined cycle technology: Application in the cane sugar industry. Int. Sugar JNL, 1999, Vol. 101, NO. 1205.

34

combusto em turbina. Turbinas a gs tm emergido como o melhor meio para

transformar calor em energia mecnica e so agora peas-chave para a maior

eficincia dos sistemas de gerao eltrica (CIFERNO; MARANO, 2002).

Hidrognio

Hidrognio produzido atualmente em grandes quantidades via reforma a

vapor de hidrocarbonetos sobre um catalisador de Ni a 800 C (1472 F), Nieminen

(1999). Este processo produz um gs de sntese que deve ser processado

novamente para produzir hidrognio de alta pureza. O gs de sntese condicionado,

necessrio para reforma a vapor, semelhante ao que seria necessrio para um

syngas derivado da gaseificao de biomassa; no entanto, alcatres e partculas no

se tornam uma preocupao. Para aumentar o teor de hidrognio, o gs de sntese

produzido alimentado em um ou mais reatores de deslocamento de gua/gs

(water-gas shift), que convertem CO em H2 (CIFERNO; MARANO, 2002).

Metanol

A sntese de metanol comercial envolve a reao de CO, H2 e vapor sobre um

catalisador de xido de cobre-zinco na presena de uma pouca quantidade de CO2 a

uma temperatura por volta de 260 C (500 F) e uma presso aproximada de 70 bar

(1015 psi) (PAISLEY; ANSON, 1997).

Ciferno e Marano (2002) constata que para melhor uso do produto bruto do

gs de sntese na sntese de metanol e limitar a extenso de um tratamento

adicional do gs de sntese e reforma a vapor, essencial manter:

Uma relao H2/CO2 no mnimo em 2;

Uma taxa de CO2/CO por volta de 0,6 para prevenir a desativao do catalisador

e manter o catalisador em um estado ativo reduzido;

Baixas concentraes de N2, CH4, C2+ etc para prevenir a acumulao de inertes

dentro do circuito de sntese de metanol;

Baixas concentraes de CH4 e C2+ para limitar a necessidade para uma

posterior reforma a vapor.

35

Combustveis sintticos de Fisher-Tropsch (FT)

Combustveis sintticos como a gasolina e o diesel podem ser produzidos a

partir do gs de sntese via processo de FT. O gaseificador precisa produzir gases

com uma taxa de H2/CO em torno de 0,5 a 0,7 recomendada como matria para o

processo de FT quando se usa catalisador de ferro (CIFERNO; MARANO, 2002).

Como ilustra a tabela 4, a composio pretendida do gs de sntese para

aplicao como gs combustvel diferente daquela para combustveis sintticos ou

sntese qumica. Um contedo alto de H2, baixo CO2, baixo CH4 necessrio para

produo de qumicos e combustvel. J um teor alto de H2 no necessrio para

produo de energia, enquanto um suficientemente alto poder calorfico fornecido

atravs dos hidrocarbonetos de CH4 e C2+.

Tabela 04 Caractersticas gs de sntese desejveis para diferentes aplicaes

Produto Combustivis Sintticos Metanol

FT Gasolina & Diesel

H2/CO 0,6a ~2,0

CO2 Baixo Baixoc

Hidrocarbonetos Baixod Baixod

N2 Baixo Baixo

H2O Baixo Baixo

Contaminantes Enxofre

36

Produto Hidrognio Gs combustvel

Caldeira Turbina

H2/CO Alto Irrelev Irrelev

CO2 Irrelevb No crtico No crtico

Hidrocarbonetos Baixod Alto Alto

N2 Baixo Notae Notae

H2O Altof Baixo Notag

Contaminantes Enxofre

37

(j) Dependendo do tipo de catalisador; os de ferro normalmente operam a temperaturas maiores que os

catalisadores de cobalto.

(k) Quantidades pequenas de contaminantes podem ser aceitas.

Fonte: Ciferno e Marano (2002, traduo do autor)

3.2.6 Avaliao dos resultados: Condies de operao

As matrias-primas primrias, para as quais os dados de composio do gs

de sntese do produto foram analisados esto identificados na tabela 6 (p. 18) do

artigo. Estes foram tipicamente madeira, lodo de celulose, resduo slido municipal,

combustveis derivados de resduos e palha de milho. A taxa de alimentao variou

de 136 a 7.575 kg.h-1 (300-16.665 lb.h-1); presses de 1 a 33 bar (14,7-480 psi); e

alcanaram temperatura do reator de 725 a 1400 C (1337-2550 F). Abaixo, na

tabela 5 citou-se apenas os resduos slidos municipais (RSU) (CIFERNO;

MARANO, 2002).

A operao de gaseificadores de biomassa com presso atmosfrica ou

superior tem tanto vantagens quanto desvantagens dependendo da aplicao que se

busca para o gs de sntese. Gaseificadores pressurizados so complexos, custosos

e tm um alto custo de capital, tanto para o gaseificador quanto seus sistemas de

suprimento associados. Por outro lado, se o gs fornecido para uma turbina de

combusto ou processo de converso sob presso, evita-se a necessidade

dispendiosa de compresso do gs. As temperaturas de sada variam

consideravelmente, refletindo na limpeza do gs e no sistema de recuperao do

calor (CIFERNO; MARANO, 2002).

As principais fontes de oxignio usadas na gaseificao de biomassa so o

ar, oxignio puro e vapor, ou as combinaes destes. O ar o oxidante mais usado,

evitando a necessidade de produo de oxignio, e mais de 70% dos gaseificadores

que se pesquisou tm usado ar. Contudo, o uso de ar provoca um gs de poder

calorfico baixo, de 4 a 6 MJ/Nm (107-161 Btu/ft), adequado apenas para caldeira e

motor. Algumas tecnologias de gaseificadores de resduos slidos urbanos

conhecidas so a Purox da Union Carbide e a Sofresid/Caliqua e na tabela 05 esto

apresentadas as condies conhecidas desses sistemas (CIFERNO; MARANO,

2002).

38

Tabela 05 Condies individuais de operao dos gaseificadores de RSU

Purox Sofresid

Tipo Leito fluidizado Leito fluidizado

Matria-prima principal Resduos slidos urbanos Resduos slidos urbanos

Rendimento (tonelada/dia) 181 195

Presso (bar) 1 1

Temperatura (C) - 1300-1400

Gaseificante O2 Ar

Gs de sada (m/h) - 33.960

Poder calorfico (MJ/Nm) - 7,92

Fonte: Ciferno e Marano (2002).

3.2.7 Composio do gs de sntese

Ciferno e Marano (2002) afirmam que um grande nmero de parmetros

influenciam na composio, incluindo a matria-prima, a presso, a temperatura e o

oxidante. Poucos estudos de gaseificao falharam em reportar o teor de alcatro e

outras impurezas no sings. A composio do gs de sntese proveniente do uso de

resduos slidos municipais no gaseificador Purox est apresentada na tabela 06.

39

Tabela 06 Composio do syngas derivado do uso de RSU como biomassa.

Purox

Tipo Leito fluidizado

Matria-prima Resduos slidos urbanos

H2 23,4

CO 39,1

CO2 24,4

H2O seco

CH4 5,47

C2+ 4,93

Alcatres (em C2+)

H2S 0,05

O2 -

NH3 -

N2 -

Taxa H2/CO 0,6

Poder calorfico (MJ/Nm) -

Fonte: Ciferno e Marano (2002).

3.2.8 Emisses

Apenas uma quantidade limitada de dados sobre emisses de gaseificadores

de biomassa esto disponveis. Alguns destes esto apresentados na tabela 07.

Emisses so altamente variveis e dependem do tipo de gaseificador, matria-

40

prima, condies de processo (temperatura e presso) e sistema de

condicionamento do gs, Ciferno e Marano (2002). Por exemplo, sistemas indiretos

de gaseificao geram emisses de gs de combusto a partir da combusto de

combustveis adicionais, coque (char), uma poro da biomassa alimentada, ou no

caso de manufatura e tecnologia de converso internacional (MTCI), gs natural

(PAISLEY et al. 2001). Para Ciferno e Marano (2002), a gaseificao de resduos

slidos municipais e lodo de esgoto resultam em cinzas contendo metais pesados. A

maior preocupao com estas matrias-primas est no potencial de se filtrar metais

pesados atravs do ambiente aps o descarte das cinzas.

Tabela 07 Emisses de gaseificao de biomassa

Tecnologia Sofresid

Tipo de reator Leito fluidizado

Matria-prima Resduos slidos urbanos

Resduo lquido (alcatro/olo) (kg/kg

biomassa)

0

Resduos slido (coque/cinza) (kg/kg

biomassa)

10

Teor de alcatro Queimado

CO -

NOx 120 ppm

SO2 79 ppm

Carbono orgnico

41

3.2.9 Equipamento de suporte

Ciferno e Marano (2002) observa que a maioria das tecnologias de

gaseificadores requerem secagem da matria-combustvel para um teor especfico

de umidade antes da gaseificao. Esta etapa requere energia e, portanto, diminui a

eficincia global. A peletizao o processo pelo qual a biomassa transformada

em um compacto, denso, matria de fcil manipulao, mas isto no praticado ou

necessrio para a maioria dos gaseificadores de biomassa. A separao usada

primariamente ao manusear combustveis derivados de rejeitos para separar os

resduos mais pesados e os mais leves. Reduo de tamanho e pressurizao esto

especificados em vrios sistemas de alimentao manual. Equipamentos, tal como o

silo de armazenamento, transportadores, parafuso de avano, funil com trava,

sistemas de pesagens etc, que necessrio para quase, se no, todas as

tecnologias de gaseificao consideradas.

3.2.10 Potencial de aplicaes

Gaseificadores de leito fluidizado borbulhante (LFB)

Ciferno e Marano (2002) reconhece que a gaseificao em leito fluidizado

borbulhante aquecido diretamente tem sido amplamente estudada entre as

tecnologias consideradas. Ela tem sido operada em uma ampla faixa de condies,

como temperatura, presso e rendimento, usando uma variedade de biomassas

como matria-prima.Os gaseificadores de leito fluidizado so, provavelmente, a

opo de menor custo capital entre as tecnologias de gaseificao de biomassa

mais avanadas. Existe informao suficiente para conduzir um estudo-projeto

conceitual destes sistemas.

Gaseificadores de leito fluidizado circulante (LFC)

A gaseificao em leito fluidizado circulante aquecido diretamente no tem

sido estudada na mesma extenso da gaseificao em leito fluidizado borbulhante.

Pouqussimos experimentos tm sido realizados em presses elevadas; e, assim

como com os gaseificadores em leito fluidizado borbulhante, todos os resultados

reportados so para temperaturas menores que 1000 C. Operaes em presses

42

elevadas foram testadas, mas no para presses to altas quanto com

gaseificadores de LFB (no mximo 18,75 contra 35,53 atm (19 contra 36 bar)). A

reduo do tamanho da partcula da matria-combustvel provavelmente ser

necessria para gaseificadores LFC, e a biomassa poderia ser seca para aumentar a

temperatura de operao (CIFERNO; MARANO, 2002).

Gaseificadores em leito fixo (LFX)

Gaseificadores em leito fixo tambm tm sido demonstrados ao longo de um

intervalo limitado de condies. Por causa da tendncia deles para produzir largas

quantidades de outros alcatres ou coque (char) no-convertido, eles no tm sido

as primeiras escolhas para serem desenvolvidos. Sua principal vantagem a

habilidade para manusear matria-prima extremamente heterognea como resduo

slido urbano, e no deve ser descartada sua aplicao para resduos-combustveis

(CIFERNO; MARANO, 2002).

Gaseificadores de aquecimento indireto

Os sistemas de gaseificao de biomassa por aquecimento indireto, tanto

LFC (BCL/FERCO) quanto LFB (MTCI), esto num estgio precoce de

desenvolvimento, sua flexibilidade para uma variedade de aplicaes no tem sido

explorada. Estas unidades tm sido apenas testadas sob presso atmosfrica. Eles

so inerentemente mais complicados que os sistemas de aquecimento direto devido

necessidade de uma cmara de combusto separada, mas podem produzir um

gs de sntese com um poder calorfico alto, ideal para aplicaes combinadas de

calor e energia. Isto est tambm refletido no seu alto custo capital. Mas, eles no

requerem oxignio ou ar como reagente para a gaseificao, uma vantagem em

todas as aplicaes, uma vez que uma instalao de oxignio no necessria

(assim, uma penalidade de custo de capital e eficincia no constituda por esta

unidade), e a diluio do nitrognio no ocorre (CIFERNO; MARANO, 2002).

43

Co-Gaseificao e Co-Produo

Como foi apontado anteriormente, a biomassa pode ser co-gaseificada com

carvo. Um sistema combinado oferece significantes vantagens operacionais e

ambientais para ambos, o carvo e a biomassa. Num tom similar, a co-produo de

energia com combustveis, qumicos ou hidrognio podem melhorar o desempenho

dos sistemas de gaseificao de biomassa. Pureza baixa, teor de metano alto no

gs de sntese poderiam ser um problema a menos para tal cenrio (CIFERNO;

MARANO, 2002).

3.2.11 A necessidade de avaliao dos dados necessrio desenvolver mais trabalho para estabelecer os limites de

operao para a maioria das tecnologias de gaseificao de biomassa. A maioria das

demonstraes anteriores de gaseificador de biomassa tem sido para gerao de

processos como calor, vapor e eletricidade, e atividades de desenvolvimento atuais

so focadas em produzir eletricidade mais eficientemente integrando o sistema de

gaseificao com turbina a gs. As seguintes orientaes de Pesquisa &

Desenvolvimento para produo do gs de sntese para combustveis, qumicos e

produo de hidrognio, podem preencher a falta de dados identificada pelo autor

(CIFERNO; MARANO, 2002):

- Gaseificadores LFC e LFB pressurizados acima de 20 bar com vrias taxas de O2 e

vapor como co-alimentao;

- Todos os sistemas de gaseificao de biomassa, tanto LFB quanto LFC, a

temperaturas maiores que 1200 C;

- Todos os sistemas de gaseificao de biomassa numa ampla faixa de matria-

prima potencial;

- A co-gaseificao de biomassa/carvo em sistemas de gaseificao de carvo.

3.2.12 GASEIFICAO DE MADEIRA COMO BIOMASSA

Martnez et. al. (2011) em seu trabalho experimental de gaseificao da

biomassa madeireira de eucalipto na forma cilndrica com dimenses menores que 6

cm tanto em dimetro quanto em altura e umidade em torno de 10,32%,no qual

44

trabalhou com um reator em fluxo descendente no leito mvel com suprimento de ar

em dois estgios obteve em porcentagem de volume de CO, CH4 e H2concentraes

de 19.04, 0,89, 16,78% v, respectivamente, a um fluxo de ar de 20 Nm.h-1 e razo

do fluxo de ar entre os primeiro e segundo estgios de 80%, obtendo nessas

condies um gs com um poder calorfico baixo de 4.539 kJ.Nm-3.

Nas tabelas 8 e 9, os dados de anlise do material:

Tabela 08 Anlise imediata e final da biomassa madeireira (base mida)

Anlise imediata (b.u.%)

Cinzas 1,87

Volteis 83,02

Carbono fixo 15,11

Anlise final (b.u.%)

Carbono 44,31

Hidrognio 5,63

Nitrognio 3,23

Enxofre 0,91

Oxignio 44,05

LHV (kJ/kg) 18.140

Fonte: Martnez et al. (2011)

45

Tabela 09 Caractersticas nominais do gaseificador descendente com suprimento de ar em

duplo estgio

Caracterstica Valor Unidade

Energia trmica 50 kW

Energia trmica especfica 1200 500 kW.m-2

Consumo de biomassa

(a 15% de umidade na base

mida)

12 Kg.h-1

Tamanho da biomassa 2-6 cm

Razo de equivalncia (ER) 0,35 -

Fonte: Martnez et al (2011)

O gaseificador usado por Martnez et al. (2011) foi construdo de ao carbono

com revestimento interno de material refratrio. Ao longo do reator esto arranjados

seis termopares tipo K, que permanecem registrando as temperaturas do reator em

diferentes pontos. Os termopares so projetados at a parede interna do reator, de

forma a evitar possveis problemas com o fluxo de biomassa medida que ela

consumida. Contudo, este arranjo no favorece uma leitura confivel da

temperatura, mas evita-se um dos maiores problemas na gaseificao em leito

mvel: A formao de canais preferenciais (canalizando e colmatando). Desse modo

para reduzir este fenmeno, um dispositivo de vibrao no topo do gaseificador,

acoplado com um temporizador, favorece uma distribuio e consumo homogneo

da biomassa dentro do reator. E alm disso, outro vibrador tambm acoplado com

um temporizador no fundo do gaseificador, permite a descarga das cinzas atravs da

grade. O sistema de limpeza inclui um ciclone, trocadores de calor, e um filtro de

manga.

46

Martnez et al. (2011) comprova que os resultados encontrados corroboram

com os dados reportados na literatura para gaseificao de biomassa num reator

descendente convencional. Garca-Bacaicoa et al.1 (1994 apud MARTNEZ et al.

2011), em um reator tipo descendente com estreitamento e usando madeira como

combustvel, encontrou concentraes de 22,1%v (volume) de CO, 2,9%v de CH4 e

13,4%v de H2 para um poder calorfico baixo a mdio em torno de 5.590 kJ.Nm-3. Bui

et al. (1994), em um gaseificador descendente com estreitamento multi-estgio em

um modo dos estgios obteve um poder calorfico de 3.720 kJ.Nm-3 sendo as

composies de CO, CO2, H2 e CH4 de, 17,6, 13,6, 10,7 e 1,2%v, respectivamente.

Jain e Goss2 (2000 apud MARTNEZ et al. 2011), com casca de arroz e um reator

descendente do tipo estratificado obteve um gs com poder calorfico baixo de 4.000

kJ.Nm-3. Dogru et al.3 (2002 apud MARTNEZ et al. 2011), nos experimentos de

gaseificao de cascas de avel e tambm em um gaseificador Imbert (reator

descendente com estreitamento) obteve um gs combustvel com poder calorfico de

4.550 kJ.Nm-3 sendo que as concentraes de CO, CH4 e H2foram 16,8 %v, 1,7 %v,

e 14,12%v, respectivamente. Trabalhando em um gaseificador descendente com

estreitamento, Pathak et al.4 (2008 apud MARTNEZ et al. 2011), com uma taxa

consumo de madeira de 55 kg.h-1 encontrou poder calorfico de 4.240 kJ.Nm-3

(obtido pelo mtodo de Junker).

De acordo com Chen et al. (2009), as redues das emisses de alcatres

em um gaseificador descendente em dois estgios so relacionadas aos radicais

mais reativos produzidos em condies oxidativas devido alimentao de ar diludo

1 GARCA-BACAICOA, P.; BILBAO, R.; ARAUZO, J.; SALVADOR, M. L. Scale-up of downdraft moving

bed gasifers (25-300 kg/h) - design, experimental aspects and results. Bioresource Technology.

48:229-35. 1994.

2 JAIN, A. K.; GOSS, J. R. Determination of reactor scaling factors for throatless rice husk gasifier.

Biomass Bioenergy 18:249-56. 2000.

3 DOGRU, M.;HOWARTH, C. R.;AKAY, G.;KESKINLER, B.;MALIK, A. A. Gasification of hazelnut shells

in a downdraft gasifier. Energy; 27:415-27. 2002.

4 PATHAK; B. S., PATEL; S. R., BHAVE; A. G., BHOI; P. R., SHARMA; A. M., SHAH; N. P.

Performance evaluation of an agricultural residue-based modular throat-type down-draft gasifier for

thermal application. Biomass Bioenergy. 32:72-7. 2008.

47

no segundo estgio de ar. Segundo Bhattacharya, Siddique e Pham(1999), a

implementao de dois estgios de suprimento nos gaseificadores descendentes

resulta num decrscimo nos valores de alcatres nos gases produzidos, como

tambm no aumento das concentraes de CO em comparao com o gaseificador

descendente convencional simples estgio.

Velocidade superficial do gs

A velocidade superficial considerada por muitos autores como o principal

fator que determina a performance dos gaseificadores descendentes. De acordo

com Reed e Das1 (1988 apud MARTNEZ, 2011), a velocidade superficial tem um

efeito importante na taxa de produo de gs, no contedo energtico do gs, na

taxa de consumo do combustvel, na energia de sada e taxa de produo de coque

(char) e alcatres, e independente das dimenses do reator. A baixa velocidade

superficial resulta em uma lentido relativa nas condies de pirlise principalmente

favorecendo a obteno de um gs com alta quantidade de alcatro. E ao contrrio,

uma velocidade superficial alta provoca um aumento nas condies pirolticas

favorecendo a produo de coque (char) e gases com temperatura superior na zona

em chamas. Ainda assim, existe ainda um efeito negativo considervel, dado o

declnio do tempo de residncia resultando numa desfavorvel condio para a

quebra do alcatro quando o vapor do gs atravessa as zonas de combusto e

gaseificao.

Foi observado por Fagbemi, Khezami e Capart2 (2002 apud MARTNEZ,

2011) que o alcatro nos gases pirolticos da biomassa decresce pelo tempo de

residncia na faixa de 0,3-4 segundos, alcanando maior eficincia no

craqueamento trmico a temperaturas maiores e tempos mais elevados.

Martnez (2011) encontrou que em relao razo de equivalncia (ER)

tambm conhecida como fator de ar, o poder calorfico baixo do gs aumentou com 1 REED, T. B.; DAS, A. Handbook of biomass downdraft gasifier engine systems: solar energy

research institute. US Department of Energy; 1988.

2FAGBEMI, L.; KHEZAMI, L.; CAPART, R. Pyrolysis products from different biomasses: application to

the thermal cracking of tar. Applied Energy; 69:293-306. 2002.

48

sua reduo e vice-versa. Porm, esse gaseificador apresenta uma estabilidade

considervel no baixo poder calorfico do gs produzido para todas as vazes de ar

estudadas (de 16 a 24Nm3.h-1), com valores entre 3.890 e 4.637 kJ.Nm-3.

Eficincia fria e potncia til

Os valores de eficincia fria (c) e potncia til (Euseful) que obtiveram para a

vazo total de ar na faixa estudada e de cada condio da razo da vazo de ar

entre o primeiro e segundo estgios (AR) podem ser encontrados no artigo. A

potncia til mostra uma mesma tendncia ascendente para as AR de 0 e 80%

(testes A e C): resultando em valores em torno de 42 e 44 kW, respectivamente para

22 Nm3.h-1. Alm disso, a eficincia fria tem um comportamento com variaes na

faixa de 65 a 67%, indicando a robustez e estabilidade do gaseificador. Para um AR

igual a 0% (teste A), a eficincia fria mostra um valor estvel em torno de 66% na

faixa entre 16 e 22 Nm3.h-1. Maiores vazes de ar guiam para uma reduo na

potncia e eficincia do gs. A eficincia fria para AR de 40% (teste B), mostra um

pico de 67,38% na vazo de 22 Nm3.h-1. Superiores vazes de ar indicam a

tendncia de reduo devido ao poder calorfico baixo do gs. Tambm, para AR de

40%, a maior potncia (46,63 kW) alcanada em 24 Nm3.h-1 (ponto B5), apesar de,

para esta condio de poder calorfico baixo do gs ser inferior comparando com o

ponto anterior (B4), nesse caso, a vazo dos gases gerados compensa o teor

energtico inferior do gs produzido alcanando tal potncia. Para AR igual a 80%

na vazo total de ar de 20 Nm3.h-1 (onde foi obtido a menor concentrao de CH4) os

valores de eficincia fria e potncia til apresentam valores de 67,93% e 40,57 kW,

respectivamente. Segundo o autor, este fato indica que o gaseificador operando sob

estas condies produz um gs combustvel com boas caractersticas operando com

uma eficincia superior (MARTNEZ, 2011).

3.2.13 REATOR COM LEITO FLUIDIZADO 4FBR

Gaston et al. (2011 traduzido pelo autor) estudaram um novo reator de leito

fluidizado com 102 mm de dimetro (4FBR) e usaram para avaliar o efeito do

tamanho da partcula da biomassa na produo de gases leves (CO, CO2, H2 e CH4)

e compostos de alcatro durante a gaseificao usando um agente gaseificante

49

inerte.Experimentos foram realizados em lote com carvalho branco modo em quatro

tamanhos de esfera com dimetro de 6, 13, 18 e 25 mm, em temperaturas do leito

do reator de 500, 600, 700, 800 e 900 C. Os componentes orgnicos foram

caracterizados usando um espectrmetro de massa de feixe molecular (MBMS),

enquanto gases leves foram medidos usando detectores de infravermelho no

dispersivo (NDIRS).

Como resultado, os teores de gs leve aumentaram com a temperatura, mas,

em seguida, atingiu-se um plat acima de 800 C. A medida que o tamanho da

partcula aumenta, observada uma diminuio na formao de gases leves,

acompanhada por um aumento na formao de coque (char). As medies dos

compostos orgnicos presentes no gs de sntese foram realizadas utilizando um

espectrmetro de massa de feixe molecular (MBMS). Estas medidas indicam que,

quando o tamanho das esferas aumenta, a formao de alcatro e hidrocarbonetos

aromticos policclicos (HAP) aumenta.Estas observaes enfatizam ainda mais a

importncia do papel das restries de transporte de massa e calor para as

partculas maiores na evoluo dos produtos durante a gaseificao e suas

possveis implicaes na economia do processo de gaseificao (GASTON et al.,

2011).

Gaston et al. (2011) constatou que um dos maiores desafios na produo de

biocombustveis a partir da gaseificao e sntese a formao de espcies com

alto peso molecular, chamadas alcatres, durante o processo de gaseificao.

Alcatres impedem a produo de gs de sntese e tm que ser removidos antes do

passo de sntese do combustvel para prevenir a desativao dos catalisadores e

incrustaes do equipamento no processo.

Os modelos de cintica globais que descrevem a converso de biomassa

para coque (char), gs, e alcatro podem ser acoplados s equaes de transporte

de calor e massa para fornecer a taxa daquelas classes de produtos quando eles

50

liberam as partculas, Di Blasi1; Miller e Bellan2,3 (2008; 1996 e 1997 apud GASTON

et al. 2011), mas poucos estudos investigaram o elo entre os processos de intra-

partculas e as quantidades atuais de alcatro na escala do reator. Experimentos de

gaseificao a temperaturas relativamente baixas (at 800 C) por Herguido, Corella

e Gonzalez-Saiz4 (1992apud GASTON et al. 2011) sugerem uma produo alta de

gs e reduo de alcatro para partculas menores, mas o uso de matrias-primas

diferentes impede uma concluso definitiva. Estudos sistemticos demonstraram

experimentalmente que a reduo do tamanho da partcula leva para uma melhoria

significativa nos parmetros de gaseificao, especialmente em termos de

quantidade de alcatro e eficincia do gs produzido (JAND; FOSCOLLO5, 2005;

RAPAGN; CELSO6, 2008; HERNANDEZ; ARANDA-ALMANSA; BULA7, 2010 apud

GASTN et al. 2011).

O aparato denominado 4FBR foi projetado para investigar as gaseificao e

pirlise em escala de bancada para permitir pelo escaneamento rpido das

condies experimentais e habilitar um entendimento detalhado das condies do

reator e seus impactos nos produtos. O reator est integrado numa caamba

1 DI BLASI, C. Modeling chemical and physical processes of wood and biomass pyrolysis. Prog. Energy Combust. Sci. 34 (1), 4790. 2008.

2 MILLER, R. S.; BELLAN, J. Analysis of reaction products and conversion time in the pyrolysis of cellulose and wood particles. Combust. Sci. Technol. 119, 331373.1996.

3 ________. A generalized biomass pyrolysis model based on superimposed cellulose, hemicellulose and lignin kinetics. Combustion Science and Technology. 126 (1), 97137. 1997.

4 HERGUIDO, J.; CORELLA, J.; GONZALEZ-SAIZ, J. Steam gasification of lignocellulosic residues in a fluidized bed at a small pilot scale: Effect of the type of feedstock. Industrial & Engineering Chemistry Research. 1992.

5 JAND, N.; FOSCOLO, P. U. Decomposition of wood particles in fluidized beds. Industrial &

Engineering. Chemistry. Research, 44 (14), 50795089. 2005.

6 RAPAGN, S.; DI CELSO, G. M. Devolatilization of wood particles in a hot fluidized bed: Product

yields and conversion rates. Biomass Bioenergy, 32 (12), 11231129. 2008.

7 HERNANDEZ, J. J.; ARANDA-ALMANSA, G.; BULA, A. Gasification of biomass wastes in an

entrained flow gasifier: Effect of the particle size and the residence time. Fuel Processing Technology.

91 (6), 681692. 2010.

51

portvel contendo todos os equipamentos necessrios para sua operao:

tubulao, aquecedores e isolamento, equipamentos de limpeza de gases,

instrumentao, equipamentos de sistema de controle, e um painel de distribuio

de energia. Este sistema est projetado para operar sob temperaturas internas at

950 C e presses at 80 kPa. Todas as partes aquecidas do reator so feitas de

Inconel ou Incoloy para suportar as altas temperaturas e eventual exposio a gases

contendo enxofre; da mesma forma, todas as conexes no reator so flangeadas ou

soldadas. De Incoloy/cermica, juntas em espiral se encaixam entre cada flange,

com duas juntas em ambos os lados da placa de distribuio na flange inferior

(GASTN et al. 2011).

Gaston et al. (2011) observou que a 500 C, a maioria do material voltil

vaporizado das partculas na biomassa mas evoluiu-se principalmente como vapores

orgnicos condensveis com apenas uma pequena produo de gases leves.

medida que a temperatura aumentou, esses produtos pirolticos foram craqueados e

mais gases leves foram formados. A 800 e 900C, retornos decrescentes foram

vistos enquanto se aumenta a temperatura de reao, na tentativa de aumentar a

produo de gs leve. Estes resultados foram consistentes com Carpenter et. al.

(2010) que encontrou que o total de produo de gases leves aumenta com o

aumento da temperatura at estabilizar na faixa de 750-870 C, para partculas

menores que as deste trabalho. A produo total de gs aparentou reduzir com o

aumento do tamanho da esfera, embora as anlises estatsticas mostram que pode-

se apenas verificar isto para 600 C e o menor contra dois tamanhos acima para 500

e 700 C, no encontrou-se diferenas entre o tamanho das partculas para 800 e

900 C. Nas mais altas temperaturas, a taxa de transferncia de calor e massa

aumentaram, partculas aqueceram mais rpido e se formaram menos alcatres e

coque (char). Como resultado, o tamanho da partcula tem menos influncia na

evoluo dos gases leves num reator nas mais altas temperaturas.

Os dados de coque (char) indicam que com significncia estatstica, as taxas

de aquecimento mais rpidas produzem menos coque (char). Para as partculas

maiores e temperaturas menores, o carbono tende a formar mais coque (char), e

isso, em ltima anlise reduz a produo de gases leves. Estes resultados para

produo coque (char) e gs leve, concordam com as observaes de outros,

52

Herguido, Corella e Gonzalez-Saiz1; Jand e Foscolo2; Rapagn et al.3 (1992; 2005;

2008 apud GASTN et al. 2011), como se descobriu bem as diferenas entre

pirlise lenta para produzir carvo (charcoal) contra a pirlise rpida para produzir

leos.

Gastn et al. (2011) concluram que a formao de hidrocarbonetos

aromticos policclicos deve estar a ocorrer no interior da partcula, para formar as

concentraes mais elevadas para as partculas maiores, dado que, as reaes das

biomolculas fora da partcula iriam ter velocidades de reao mais lenta com base

na concentrao.

3.2.14 REATOR DE LEITO FLUIDIZADO BORBULHANTE ALIMENTADO COM CASCAS DE ARROZ

Behaine e Martinez (2014 traduo do autor), na Colmbia, trabalharam num

reator de leito fluidizado borbulhante (com capacidade nominal de 150 kWh)

alimentado com cascas de arroz atravs de um sistema automtico de parafuso

transportador que tem uma cmara de arrefecimento tanto externamente quanto

internamente para evitar a pirlise e carbonizao da matria-prima antes de entrar

no reator desenvolvido para trabalhar em condies de gaseificao. Este sistema

foi aferido usando um projeto estatstico de experimentos baseado na metodologia

de superfcie de resposta, de forma a obter correlaes empricas para traar o

comportamento de operao em termos de razo de equivalncia (ER) e o estado

normal da velocidade de fluidizao (Unc). O baixo poder calorfico, a produo

volumtrica de gs, a potncia do gs e a eficincia fria de gaseificao foram as

variveis de sada. Condies timas com respeito, a uma vazo de alimentao da

1 HERGUIDO, J.; CORELLA, J.; GONZALEZ-SAIZ, J. Steam gasification of lignocellulosic residues in a fluidized bed at a small pilot scale. Effect of the type of feedstock. Industrial &

Engineering Chemistry Research.31 (5), 12741282.1992.

2 JAND, N.; FOSCOLO, P. U. Decomposition of wood particles in fluidized beds. Ind. Eng. Chem. Res.

2005, 44 (14), 50795089.] 3 RAPAGN, S.; DI CELSO, G. M. Devolatilization of wood particles in a hot fluidized bed: Product

yields and conversion rates. BiomassBioenergy.32 (12), 11231129. 2008.

53

casca de arroz em 56,0 kg.h-1, e temperatura 828 C, tanto o baixo poder calorfico

(3,78 MJ/Nm) e a potncia do gs (73,82 kW) foram obtidas a uma ER de 0,24 e Unc

de 0,19 m/s, e tambm 36,51 % de eficincia fria, 1,25 Nm.kg-1 na produo de gs.

Contudo, a altura do leito fixo inicial de inertes exige que seja maior de modo que

aumente as condies de transferncia de massa e energia e por conseguinte, a

converso do carbono. As correlaes estatsticas obtidas foram consideradas

aceitveis levando em conta a complexidade do fenmeno de gaseificao no leito

fluidizado. Os resultados so considerados como uma base para projetar unidades

de gerao de energia decentralizadas em pequena escala tendo como matria-

prima a casca de arroz.

Behaine e Martinez (2014), a partir dos resultados experimentais, observaram

que Unc de 0,19 m/s e ER de 0,24 aparentam serem as condies timas em relao

as concentraes de gases combustveis resultando em 14,07 % de CO, 5,58 % de

H2 e 3,93 % de CH4, alm de 54,37 % de N2, 10,69 % de CO2, 0,45 % de O2 e 10,91

% de H2O.

A tecnologia de leito fluidizado para a valorizao energtica dos resduos de

biomassa, como casca de arroz, bagao de cana-de-acar e serragem, tem

experienciado um desenvolvimento considervel nos ltimos anos. Reatores de leito

fluidizado tm sido altamente provados como uma tecnologia eficiente para altas

capacidades especficas e foram considerados como a melhor opo para converter

biomassa em energia devido a sua flexibilidade de combustveis e pela possibilidade

de alcanar uma operao limpa (SINGH; MOHAPATRA; GANGACHARYULU1,

2008 apud BEHAINE; MARTINEZ, 2014). Algumas das principais caractersticas da

tecnologia de leito fluidizado so: distribuio homognea da temperatura na cmara

do reator, bom contato superfcie gs-slido, ampla tolerncia para variaes na

qualidade do combustvel, fcil de ligar e desligar, rpido aquecimento, alta eficincia

1 SINGH R. I.;MOHAPATRA S. K;GANGACHARYULU D. Studies in an atmospheric bubbling fluidized-

bed combustor of 10 MW power plant based on rice husk. Energy Convers Manage.49:3086103.

2008.

54

na converso do carbono e investimento relativamente baixo (KUNII; LEVENSPIEL1,

1991; ANTHONY2, 1995; BASU3, 2006 apud BEHAINE; MARTINEZ, 2014).

Adicionalmente, esses tipos de reatores apenas oferecem vantagens importantes

quando so usados para gaseificao de baixa densidade, alto contedo de cinzas e

irregulares/complexas biomassas como cascas de arroz. Reatores convencionais

como os de leito fixo no so adequados para o processamento de cascas de arroz

dadas as propriedades fsico-qumicas e o baixo ponto de fuso para as cinzas.

Neste sentido, a gaseificao, alm de permitir a produo de produtos gasosos,

para energia e/ou gerao trmica ou para a sntese de componentes qumicos,

geralmente guiam para uma temperatura baixa de reao em comparao a

combusto. Ento, os problemas associados com sinterizao e aglomerao de

cinzas durante a combusto so prevenidos (NATARAJAN; NORDIN; RAO4, 1998;

MANSARAY et al.5, 1999 apud BEHAINE; MARTINEZ, 2014).

Mansaray et al.5(1999 apud BEHAINE; MARTINEZ, 2014) demonstraram os

efeitos da velocidade de fluidizao (Uf) e razo de equivalncia (ER) usando uma

placa distribuidora dupla e obtiveram que a uma Uf de 0,22 m/s e ER de 0,25, as

concentraes volumtricas de produo de gs foram 4% de H2, 5% de

hidrocarbonetos (CH4, C2H2, C2H4 e C2H6), 15% de CO2, 20 % de CO e 57% de N2.

1KUNII; LEVENSPIEL. Fluidization Engineering. 2nd ed. Boston: Butterworth-Heinemann;

1991.

2ANTHONY. Fluidized bed combustion of alternative solid fuels; status successes and

problems of the technology. Progress in Energy and Combustion Science. 1995; 21:23968.

3BASU. Combustion and Gasification in Fluidized Beds. Florida: CRC/Taylor & Francis

Group LLC; 2006.

4NATARAJAN; NORDIN; RAO. Overview of combustion and gasification of rice husk in

fluidized bed reactors. Biomass Bioenergy 1998; 14:53346.

5MANSARAY; GHALY; AL-TAWEEL; HAMDULLHPUR; UGURSAL. Air gasification of rice husk

in a dual distributor type fluidized bed gasifier. Biomass Bioenergy 1999; 17:31532.

55

Seleo de variveis de entrada e sada

Gmez-Barea, Arjona e Ollero1 (2005 apud BEHAINE; MARTINEZ, 2014)

constataram que para um gaseificador no aquecido externamente, h apenas duas

variveis importantes que podem ser variadas de uma forma independente entre

uma gama limitada de opes: o rendimento da biomassa e a taxa de fluxo de ar.

Estes dois parmetros determinam a razo de equivalncia e a velocidade

superficial do gs. Como sabe-se bem, a razo de equivalncia uma das variveis

operacionais mais importantes na gaseificao de biomassa utilizando ar como

agente gaseificante. A razo de equivalncia (ER) definida como a taxa de ar-

combustvel usado atualmente no processo (Nm.kg-1), dividida pela taxa de ar-

combustvel nas condies estequiomtricas de combusto (Nm.kg-1), usualmente

varia entre 0,20 e 0,40, segundo Lora et a. (2012). De acordo com Natarajan et al.2

(1998 apud BEHAINE; MARTINEZ, 2014) o limite inferior de ER decidido pela

quantidade mnima de ar necessria para queimar uma frao de combustvel, e

assim para liberar calor suficiente para suportar as reaes endotrmicas envolvidas

na gaseificao. De outra forma, o limite superior determinado pela anlise

combinada, considerando a temperatura do reator (de forma a evitar o ponto de

fuso das cinzas), a qualidade de fluidizao, o poder calorfico do gs e o contedo

de alcatres no gs produzido.

Behaine e Martinez (2014) reconhecem que a velocidade de fluidizao a

principal varivel envolvida nos processos de fluidizao e est ligada com o tempo

de residncia aparente, tanto do coque quanto dos volteis dentro do reator, e

tambm com as taxas de transferncia de massa e calor. Neste trabalho a

velocidade superficial do ar na zona densa do leito a 101,3 kPa e 273,1 K tem sido

considerada e designada como velocidade normalizada de fluidizao (Unc).

As variaes nas condies de processo foram atribudas a vrias razes, tal

como a composio das cascas de arroz, as propriedades dos materiais inertes que 1 GMEZ-BAREA A., ARJONA R., OLLERO P. Pilot-plant gasification of olive stone: a technical

assessment. Energy Fuels 19:598605. 2005.

2NATARAJAN; NORDIN; RAO. Overview of combustion and gasification of rice husk in

fluidized bed reactors. Biomass Bioenergy 1998; 14:53346.

56

conduzem a condies diferentes de fluidizao e o projeto do gaseificador

(isolamento, placa distribuidora, ponto de alimentao da matria-prima) (BEHAINE;

MARTINEZ, 2014).

3.2.15 Biomassa na secagem de produtos agrcolas via gaseificao com combusto adjacente dos gases produzidos

Silva, Cardoso Sobrinho e Saiki (2004) estudaram a viabilidade do uso de um

gaseificador/combustor que utiliza tocos de eucalipto, resduos de serraria, cavacos

de lenha e sabugo de milho como combustvel na secagem de produtos agrcolas.

Como teste do sistema, o caf foi secado a partir da umidade inicial de 54,5% b.u.

(base mida) at 11,1 1,6% b.u., utilizando cavacos de lenha. A temperatura do ar

de secagem foi de 60 C, presso esttica do ar na sada do ventilador de 9 mmca e

velocidade de 46,3 m3.min-1. Observaram que o gaseificador, usando, consumiu

entre 15,3 e18,8 kg h-1 de biomassa, que o equipamento vivel para a secagem de

caf despolpado e para outros produtos agrcolas, no o impregnou o caf com

fumaa ou outras partculas geradas nas fornalhas de fogo direto, e que todos os

combustveis de biomassa testados so viveis na utilizao do sistema via

gasificao com adjacente combusto dos gases gerados.

3.3 Biomassa

A biomassa a matria orgnica de seres que foram mortos a pouco tempo,

incluindo matria vegetal de rvores, gramneas e colheita agrcola. A composio

qumica da biomassa varia dependendo da espcie, mas basicamente consiste de

alto, mas varivel, teor de umidade, uma estrutura fibrosa consistindo de lignina,

carboidratos ou acares, e cinzas Turn1 (1999 apud CIFERNO; MARANO, 2002

traduo do autor). A biomassa um material bastante heterogneo nas suas

condies naturais e possuem um poder calorfico menor que o do carvo. Na

gaseificao, o alto teor de oxignio e umidade resultam num poder calorfico baixo 1 TURN, S.Q. Biomass integrated gasifier combined cycle technology III: Application in the cane sugar industry.Int. Sugar JNL, 1999, Vol. 101, NO. 1207.

57

para o gs de sntese produzido, tipicamente

58

Tabel