Combustão e gaseificação para a substituição do gás natural

Combustão e gaseificação para a substituição do gás natural
Karp Igor; Pyanykh Konstantin e Yudin Artem.
The Gast Institute of the National Academy of Science of Ukraine; Kiev, Ucrânia.
A considerável necessidade de gás natural é um dos principais problemas para o balanço energético da
Ucrânia. Levando em conta o alto volume e o alto custo de importação, fica claro que os esforços dos
cientistas, engenheiros e empresários estão ficados em resolver a questão da economia de energia e da
substituição do gás natural por fontes alternativas de energia.
A biomassa é considerada uma das fontes de energia
biocombustíveis em processos térmicos, as quais são
alternativas mais significativas. As avaliações do potencial de
baseadas em dois princípios diferentes: de combustão direta
biofontes da Ucrânia variam amplamente. Com base em um
e de gaseificação. O maior efeito é alcançado para a
cenário otimista, o potencial é composto por não menos de
combustão direta da biomassa pré-tratada em caldeiras ou
4,16 M de toneladas equivalentes de petróleo, incluindo a
fornos. A tecnologia de pré-gaseificação da biomassa
turfa em 0,52 M; resíduos de madeira em 1,1 M; e palha em
compete com a combustão direta em diversas aplicações.
2,54
Qualquer
M
de
toneladas
[1].
Levando
em
conta
uma
transformação
de
energia
provoca
perdas
oportunidade para aumentar a biomassa em terra vazia, o
termodinâmicas irreversíveis, o que torna a utilização da
seu rendimento é esperado como sendo superior a 21 M de
energia primária do combustível um pouco menos eficiente
toneladas de óleo equivalente [2]. Desta forma, o biopotencial
do que a combustão direta.
da Ucrânia poderia permitir a substituição do volume de gás
No entanto, a gaseificação tem uma vantagem
natural que varia entre 4,3 até 25,6 bilhões de m3.
indiscutível sobre combustão direta quando o projeto se
Os Problemas e as Prospecções para o Uso de
destina especificamente à geração de energia elétrica, vapor
de processo, em tecnologias de cogeração e em processos
Biocombustíveis
combinados
A eficiência de custo do projeto é o critério
fundamental
para
a
decisão
sobre
a
utilização
de
biocombustíveis. Na Ucrânia, o custo do gás natural é de
duas a três vezes maior do que o custo do biocombustível,
num volume equivalente ao do gás natural em termos do seu
de
produção
de
gás
de
combustão
simultaneamente com o gás natural e no mesmo queimador.
O estudo das cadeias tecnológicas que utilizam o gás natural
como combustível permitiu o desenvolvimento de critérios
para avaliar a aplicabilidade da tecnologia específica de
substituição do gás natural [3].
potencial de energia. A disponibilidade de tecnologias e
equipamentos comprovados é outro fator importante, que
determinará o uso de biocombustíveis em processos
Combustão Direta da Biomassa
tecnológicos. Portanto, a tarefa de criar objetos industriais
Definição de Tarefas
Um
confiáveis e eficientes em termos de custos (com os mínimos
exemplo
utilização
tecnologia
implementada no forno rotativo de queima da argila refratária
do programa de trabalho de “pesquisa” em biocombustíveis.
na Vatutinsky Refractories, na região de Cherkassy, na
investidores
estão
interessados
principalmente em uma instituição de referência na qual a
solução proposta já seja utilizada para que eles possam
descobrir mais sobre isso no local. Por este motivo, foi
decidido dar início ao desenvolvimento de projetos de
demonstração.
direta
é
a
de
substituição de gás natural, foi fundamental para a definição
potenciais
combustão
da
períodos para se pagar) que utilizam a biomassa para a
Os
com
de
biocombustíveis
solução
Ucrânia. A principal acionista da fábrica é a A.G.S.
Corporation (França). O reequipamento técnico do sistema
tinha como alvo a redução do uso de gás natural por meio de
sua
substituição
por
biocombustíveis
pré-tratados.
As
especificações do forno foram de 75 metros de comprimento,
3,5 metros de diâmetro e produção de 15 toneladas/hora de
produto final. O consumo médio de gás antes do projeto era
Existem dois tipos de tecnologias de utilização de
de 2.200 m3/hora. Com base na avaliação dos recursos de
biomassa locais por especialistas da fábrica, a casca de
da biomassa e do combustível gasoso são as distintas
girassol foi escolhida como o principal biocombustível, com a
temperaturas de combustão e a quantidade teórica de ar
possibilidade também da utilização de resíduos de madeira
necessária para a queima completa do combustível. No
(serragem). A tarefa de mudança para a utilização da
processo de mudança para a utilização da biomassa, as
biomassa
de requisitos
características específicas do seu processo de queima são
técnicos do combustível e da tecnologia de sua cocombustão
pressupõe
o
desenvolvimento
cruciais. Estas foram determinadas experimentalmente por
com o gás natural.
meio da combustão de partículas de combustível no
derivatógrafo [4]. Foram queimadas 162,6 mg de casca de
girassol em um copo de platina aberto. Intervalos separados
com alternância no sinal de fluxo de calor podem ser
apontados no termograma (Fig. 2).
Fig. 1. Dependência do tempo de combustão da casca em
relação ao tamanho da partícula e umidade (Linha sólida – casca de
milho; linha tracejada - serragem de madeira)
Fig. 2. Termograma da casca de girassol (T - temperatura; TG peso da amostra; DTG - diferencial da perda de peso no aquecimento;
DTA - diferencial do desvio de temperatura da amostra e da amostra de
Especificidades do Processo
referência, nas quais as reações químicas não estão ocorrendo. 1, 2 e 3 pontos de inflexão nas curvas)
Como o primeiro passo para a implementação do
projeto foram definidos os requisitos técnicos necessários
para assegurar que o combustível satisfizesse a condição de
Inicialmente, ocorrem o aquecimento da massa de
combustão completa das partículas no espaço da combustão.
biocombustíveis e a evaporação da umidade. Este processo
Ao mesmo tempo, o tipo de combustível deveria ser levado
é acompanhado por um consumo de energia térmica (os
em conta. Os parâmetros que determinam a velocidade da
picos 1 nas curvas de DTA e DTG). Após o aquecimento das
combustão são a composição e a umidade das partículas
partículas do combustível a mais de 200°C, o processo da
sólidas.
foi
sua destruição começa (pico 2 na curva de DTG). Com a
determinado experimentalmente em uma instalação de leito
extração das matérias voláteis, a combustão garante uma
fluidizado, com transportador de calor inerte, durante a
radiação de calor intenso (pico 2 na curva de DTA). A
combustão ao ar a 900°C.
combustão de partículas de biomassa é completada com a
O
tempo
de
combustão
das
partículas
Segue-se desta experiência que os resíduos de
queima de resíduo de coque, e o pico de emissão de calor
madeira queimam cerca de duas vezes mais rápido do que
deste último no processo de queima é indicado com o ponto 3
as partículas de casca de girassol. O desvio do nível de
da curva de DTA.
umidade devido à umidade natural (10-12%) resulta no
aumento do seu tempo de queima.
Os resultados da pesquisa são mostrados na Fig. 1.
Os dados experimentais sobre a serragem de madeira
ficaram completamente de acordo com os resultados da
modelagem matemática do processo. O processo de queima
A conclusão prática a que se chegou com base na
da casca de girassol não foi modelado por não haver fontes
análise do termograma foi: a combustão das partículas
de dados suficientes disponíveis sobre as propriedades
sólidas deveria ser organizada de forma a reduzir o tempo de
físicas deste combustível.
evaporação da umidade e de destilação tanto quanto
Outras diferenças entre os processos de combustão
possível. Isto foi realizado com a ajuda de um projeto
especial de queimador, o qual assegurou a intensa
recirculação de combustível na zona da raiz da chama.
fundos investidos no projeto foram reembolsados em menos
de um ano. Como um benefício adicional do projeto, novos
postos
de
trabalho
foram
criados
para
fornecer
biocombustível para a fábrica.
A solução técnica apresentada acima pode ser
utilizada com sucesso em uma série de empresas nos
setores de metalurgia e de materiais de construção.
A pesquisa nos permitiu formular as exigências para a
queima eficiente do biocombustível nos fornos rotativos
(Tabela 1).
Gaseificação da Biomassa: Substituição pelo Gás
Produzido
A criação de um complexo com capacidade instalada
de 1,8 MW para a gaseificação de lascas de madeira é um
exemplo do desenvolvimento e implementação da tecnologia
Implementação
Os resultados da investigação com os biocombustíveis
e equipamentos de gaseificação de biomassa. O complexo foi
e as especificidades da sua combustão foram utilizados como
projetado para substituição parcial de gás natural no sistema
fundamentos para a criação de um complexo automatizado
de aquecimento de caldeira a vapor. Ele inclui: um gerador de
com utilização da biomassa como combustível - substituto do
gás (Fig. 5a); um sistema de purificação e transporte de gás;
gás natural - no forno rotativo. O complexo inclui um depósito
um queimador de combustível duplo para a combustão
de combustível, a linha de transporte pneumático da
simultânea de gás natural e produzido (Fig. 5b); e um sistema
biomassa, um dispositivo de queimador e um sistema de
de apoio para a operação automática da caldeira e da
controle e automação (Fig. 3). O dispositivo do queimador
caldeira a vapor.
para fornecimento do combustível sólido é instalado na
cabeça da estufa acima do queimador de gás (Fig. 4).
Fig. 5a e 5b. Complexo produtor de geração de gás: a) gerador
de gás; b) dispositivo queimador
Fig. 4. Vista dos queimadores de dentro do forno
O complexo foi desenvolvido pelo Institute of Gas of
Os resultados de substituição parcial do gás natural
the National Academy of Science of Ukraine e está em
pelo biocombustível estão apresentados na Tabela 2. Este
operação na JSC “Malyn Paper Mill - Weidmann” (Malyn,
trabalho para otimizar os modos de operação dos fornos de
Região de Zhytomir, Ucrânia) desde janeiro de 2011.
forma conjunta com combustão de gás natural e de
Significativas flutuações de carga térmica são características
biocombustíveis
do processo tecnológico da empresa.
demonstrou
pouca
dependência
temperatura do forno sobre a proporção de gás
da
e
biocombustível.
Durante a combustão de compostos que queimam em
temperaturas médias, o grau de substituição do gás natural
atingiu 70%, enquanto no processo de queima de compostos
que queimam em temperaturas elevadas foi de até 50%.
O complexo está operando com sucesso desde 2010.
O volume anual de substituição de gás natural por
biocombustível é de mais de 10 milhões de m3. Todos os
resultados dos testes são apresentados na Tabela 3.
Cerca de 20% da energia é gasto com o resfriamento
do corpo do gerador de gás. Esta energia pode ser utilizada
para o aquecimento da água de alimentação da caldeira ou
para as necessidades técnicas.
Sumário
A substituição do gás natural por biocombustível é
comercialmente viável e atraente para muitos países. Duas
tecnologias de utilização de biomassa são consideradas
Fig.6. Dependência da eficiência da caldeira na carga
neste artigo: combustão direta e gaseificação. Cada uma
delas tem suas vantagens e áreas de aplicação. Soluções
técnicas pilotos em escala industrial poderiam ser aplicadas
A produção média de gás, levando em consideração a
de forma eficiente nos setores de manufatura e de energia.
mudança de potência, foi de 120 m3/hora em equivalência ao
gás natural. Em média, 4,2 kg de lascas de madeira com teor
de umidade natural foram utilizados para a substituição de 1
Referências
m3 de gás natural. A substituição do gás natural pelo gás
[1] Bilodid V., Kouts G. Energy potential of some kinds
produzido não resultou em redução da produtividade da
of alternative fuels and energy consumption estimation for its
caldeira (Fig. 6). O desenvolvimento de um sistema eficiente
processing for direct combustion in boilers, Problemy
de purificação do gás produzido de resinas e itens contendo
zagalnoyi energetiky (The Problems of General Energy),
resina foi um resultado importante deste esforço. A utilização
2011, ?1(24), p.p. 32-39.
de lascas de madeira para a substituição do gás natural
[2] Davyi V. Development of Bioenergy – the way to
permitiu reduções de custo em relação ao gás natural de
Energy
mais de 30%.
Oborudovanie i instrument. Derevoobrabotka (Equipment and
Security
and
Ecological
Purity
of
Ukraine,
Instruments. Wood Processing), 2012, ?2, p.p. 68-73.
[3] Karp I., Pyanykh K., Nikitin E. Producer Gas Use in
Municipal
Heat
Energy,
Energotekhnologii
i
resursosberezhenie (Energy Technologies and Resource
Saving), 2009, ?2, p.p. 18-24.
[4] Snezhkin U., Korinchuk D., Mihajlik V.Composite
fuel from peat and biomass. “Poligraf- servis”,Kyiv-2012, 212
p.
[5] Stepanov S. Industrial Technologies of Coal
Processing. Perspectives of Use at Kansk-Achinsk Coal
Basin, Krasnoyarsk (Rus), 2002.Published by Krasnoyarsk
University, P-79.
O gerador de gás descrito acima é uma instalação
operando continuamente. Ao mesmo tempo, um gerador de
gás orientado para a gaseificação de diferentes tipos de
biomassa foi desenvolvido em escala piloto e testado. Os
fundamentos utilizados para o desenvolvimento do gerador
foram baseados na tecnologia da Sibtermo Company
(Krasnoyarsk) aplicado para a gaseificação de linhito para
fins de produção de semicoque na Kansk-Achinsk. [5] Os