Gaseificação da biomassa - Nest

Estado da Arte da Gaseificação
de Biomassa para Geração de
Eletricidade e Produção de
Combustíveis
Dr. Rubenildo Vieira Andrade
[email protected]
BIOMASSA
Compreende-se por biomassa todo material
orgânico de origem biológica e obtido a partir da
fotossíntese, onde estão incluídos: a madeira,
resíduos agrícolas, industriais e municipais,
esterco de animais, a parte orgânica do lixo, entre
outros.
Respondendo
R
d d
por
aproximadamente 13 % do total de
energia primária consumida no
mundo (SENGUPTA, 2002). Se
manipulada
adequadamente,
fornece
condições
para
o
desenvolvimento sustentável. É de
grande atratividade em áreas
rurais onde há dificuldades de se
obter outros tipos de insumos
energéticos.
Biomassa Convencional
Está relacionada com a utilização da biomassa
para cozinhar alimentos.
Biomassa Moderna
Está relacionada com a utilização da biomassa, de
forma sustentável, para produção de eletricidade e
combustíveis.
Gás Natural
6% Energia Renovável
2%
Biomassa moderna
11%
Biomassa Tradicional
(não renovável)
3%
Petróleo
48%
Consumo de
energia no Brasil
Biomassa Tradicional
(renovável)
9%
Grandes hidrelétricas
13%
Carvão
7%
Núclear
1%
1
Processos de Conversão da Biomassa
Combustão
Pirólise
Gaseificação
Bi
Biomassa
Biodigestão
Combustão direta em motores
Extração de bio-óleos
Transesterificação
Biodiesel
Álcool
Fermentação
Diesel
Ciclo a vapor
Ar (agente de gaseificação)
PCI (4 - 6 MJ/Nm³)
Motores de combustão interna
Geração de eletricidade
turbinas a gás
Misturas de vapor (agente
de gaseificação)
Ciclo combinado
PCI (9 - 19 MJ/Nm³)
Gaseificação
Células a Combustivel
Misturas de vapor (agente
de gaseificação)
Produção de combustíveis
Fischer Tropsch
PCI (9 - 19 MJ/Nm³)
GASEIFICAÇÃO
* O processo no qual a matéria orgânica é
transformada em gás através da queima, em uma
condição de escassez de ar em relação a queima
estequiométrica, ou seja, o ar fornecido ao processo
deverá ser menor do que aquele que garantiria a
queima completa do combustível.
* Conversão através da oxidação parcial, a elevadas
temperaturas , de um elemento carbônico em um
gás.
2
CLASSIFICAÇÃO DOS GASEIFICADORES

PRESÃO
CLASSIFICAÇÃO
LEITO


Pressurizados
Atmosféricos
Fixo


Concorrente
Contracorrente
Fluxo cruzado
Fluidizado Borbulhante
Circulante
GASEIFICADORES CONTRACORRENTE
“UPDRAFT”
Alimentação da
Biomassa
Gás
Zona de
Secagem
Zona de
Pirólise
Zona de
redução
Simplicidade
Alta Eficiência Térmica
Produção de gás com altos teores
d alcatrão
de
l tã
Zona de
combustão
Ar
Cinzas
Fluxo de gás se movimentando em
sentido contrario a biomassa
GASEIFICADORES CONCORRENTE
“DOWNDRAFT”
Características
Mais difundidos
Relativamente livre de
alcatrões
Alimentação
de biomassa
Zona de
secagem
Zona de
pirólise
Ar
Zona de
combustão
Ar
Zona de redução
Gás
Cinzas
3
Gaseificador Imbert
GASEIFICADOR DE FLUXO CRUZADO
“CROSSFLOW”
Características
alimentação de
biomassa
Zona de
secagem
Zona de
Ar
ZC
Pirólise
Cinzas
Z
R
Gás
Gás com características
intermediárias
Taxa de fornecimento de
ar maior
Rápida resposta a
variação de carga
Simplicidade de
construção
Peso reduzido
Limitação quanto ao tipo
de biomassa a ser
utilizada
Sensibilidade a umidade
do combustível
Gaseificador em Leito Fluidizado Borbulhante
Gás
Características
Alimentação
de Biomassa
As partículas arrastadas não
recirculam;
É alimentado diretamente na zona
do leito
Trabalham com velocidades
menores que o de arraste
pneumático.
Coleta de
cinzas
Ar
4
Gaseificador em Leito Fluidizado Circulante
Gás
Características
As partículas sólidas são recirculadas;
Opera próximo ao regime de
arraste pneumático;
Maior conversão de carbono,
pelo maior tempo de residência
das partículas;
Mais eficiente com maior
capacidade específica kg/m³h
Ar
Tipos de gaseificadores
Alimentação de
biomassa
Alimentação da
Biomassa
Alimentação de
biomassa
Alimentação
de biomassa
Gás
Saída do gás
Zona de
Secagem
Zona de
Pirólise
Zona de
redução
Grelha
Zona de
secagem
Grelha
Zona de
pirólise
Ar
Zona de
combustão
Entrada de ar
Garganta
Anel de
distribuição de ar
Entrada de ar
Zona de
combustão
Ar
Zona de redução
Gás
Saída do gás
Ar
Cinzas
Cinzas
Retirada das
cinzas
Retirada das
cinzas
Gás
alimentação de
biomassa
Alimentação de
biomassa
Saída do gás
Zona de
secagem
Grelha
Ar para
resfriamento da
grelha
Zona de
Ar
ZC
Entrada do ar
Z
R
Gás
Pirólise
Retirada das
cinzas
Cinzas
Ar
ZC – Zona de combustão
ZR – Zona de redução
Definição de alcatrão
Segundo o McKendry (2002) e Abatzoglou (2000) o alcatrão pode ser definido
como um conjunto de compostos de elevado peso molecular, maior que o
benzeno (C6H6, 78 g/mol) (Simell, 200), presentes no gás da gaseificação. Ele
começa a condensar a temperaturas inferiores a 450 °C. O tipo de biomassa
é responsável, em grande parte, pela determinação da natureza do alcatrão
produzido, que também é definido pelo processo de gaseificação e pela
condição de operação.
Tabela 1.20 Quantidade de alcatrão presente no gás gerado por diferentes tecnologias de
gaseificação de acordo com Quaak (1999).
Tipo de
gaseificador
Down draft
Up draft
Leito fluidizado
Teor de alcatrão
15 – 500 mg/Nm³
30 – 150 g/Nm³
< 5 g/Nm³
5
Tabela 1.19 - Qualidade do gás requerida para geradores de potência (Hasler, 1999)
Equipamento de geração de potência
Particulados
[mg/Nm³]
Dimensão
do
particulado
[m]
Alcatrão
[mg/Nm³]
Motor de combustão interna
< 50
<10
<100
Turbina a gás
< 30
<5
Metais
Pesados
[mg/Nm³]
0,24
Segundo Hasler (1999), para que um motor de combustão interna funcione
satisfatoriamente com gás de biomassa, esse gás deve conter valores
menores que 50 mg/Nm³ de particulados e valores do teor de alcatrões
menores que 100 mg/Nm³.
Os motores de combustão interna possuem restrições à qualidade do gás que
pode ser usado como combustível de forma a manter um funcionamento
satisfatório. Para o teor de alcatrão, valores menores que 500 mg/Nm3
são aceitáveis sendo preferível valores menores que 100 mg/Nm3 e para
o de particulado, valores menores que 50 mg/Nm3 são aceitáveis e
menores que 5 mg/Nm3 são preferíveis (Quaak, 1999).
Biomassa
Calor
Gás sem tratamento
Gaseificador
Caldeira
Lavadores
Turbina a gás
MCI
Motor Stirling
Craqueamento
Catalítico
Célula combustível
Termo
craqueamento
Craqueamento
em leito
catalítico
Eletricidade
Cogeração
Álcool
Metanol
Gasolina
Amônia
Conversão
Reforma
Sintese
"Shift"
Gás limpo
Metano
Figura 1.34 Processo de tratamento e utilização do gás de biomassa (adaptado de Belgiorno, 2003).
Biomassa
Gaseificador
Gás limpo
Conversão
do
alcatrão
Limpeza
do gás
particulado
Ar/Vapor/O2
Aplicação
N, S, compostos halogênios
Figura 1.37 – Diagrama da conversão de alcatrão pelo método primário Devi (2003).
Remoção do
alcatrão
Biomassa
Gaseificador
Gás livre de alcatrão
Gás
Aplicação
+ Alcatrão
Limpeza
do gás
Ar/Vapor/O2
Limpeza posterior ao reator
(Alcatrão, particulado,N, S, compostos halogênios)
Figura 1.38 - Diagrama da conversão do alcatrão por métodos secundários Devi (2003).
6
Gaseificação em duplo estágio
FATORES QUE INFLUENCIAM NA OPERAÇÃO E
QUALIDADE DO GAS GERADO.
GERADO
Características da Biomassa
Composição elementar
Poder calorífico
Granulometria
Umidade
Agente de gaseificação
Ar
Oxigênio
Vapor
Vazão, velocidade do agente de gaseificação
Vazão da biomassa
Temperatura e pressão de operação
O gás produzido é composto basicamente de:
CO – monóxido de carbono;
H2 - Hidrogênio
CO2 – dióxido de carbono;
CH4 – metano;
H2O – vapor de água;
N2 – nitrogênio
Contaminantes: alcatrão e particulado.
A gaseificação envolve uma numerosa seqüência de reações
paralelas, onde a maioria dessas reações são endotérmicas e
devem ser mantidas pela combustão parcial do gás gerado ou por
fornecimento de calor externo.
PROCESSO DE GASEIFICAÇÃO
SECAGEM
PIRÓLISE
OXIDAÇÃO
REDUÇÃO
7
As reações que ocorrem no gaseificador, podem ser resumidas como
indicadas a seguir (Higman, 2003):
Reações heterogêneas (gás-sólido):
Oxidação do carbono (combustão)
É uma das mais importantes reações que ocorrem durante a gaseificação, pois
fornece praticamente toda energia necessária para a manutenção das reações
endotérmicas (Basu, 2006).
Oxidação parcial
1
C  O2  CO
2
Oxidação completa
C  O2  CO2
H = - 111 kJ/mol
H = - 394 kJ/mol
Reação gás-água
É a oxidação parcial do carbono pelo vapor, que pode ser fornecido de diferentes
formas inclusive da própria umidade da biomassa. O vapor reage com o carbono através
da seguinte equação:
C  H 2 O  CO  H 2
H = + 131 kJ/mol
Reação Bourdouard
C  CO2  2CO
H = + 172 kJ/mol
Reação de formação do metano
C  2 H 2  CH 4
H = - 75 kJ/mol
Reações Homogêneas (fase gasosa)
Reação gás-água shift
H = - 41 kJ/mol
CO  H 2 O  CO2  H 2
Reação de formação do metano
CO  3H 2  CH 4  H 2 O
Tipos de agente de gaseificação:
H = +206 kJ/mol

Ar
Vapor
Vapor+oxigênio
O ar por ter o menor custo é o mais amplamente empregado, todavia a
gaseificação com ar é afetada pela diluição provocada pelo nitrogênio, fornecendo um
poder calorífico da ordem de 4 – 6 MJ/Nm³ (Campoy, 2008). O gás obtido é mais
recomendável para queima direta ou para utilização em motores para conversão em
potência.
A utilização do vapor como agente de gaseificação propicia a obtenção de um
gás de maior qualidade do ponto de vista energético, podendo apresentar um poder
calorífico da ordem de 9 – 19 MJ/Nm³ (Herguido, 1992; Franco, 2003; Gil, 1999). Esse
gás também fornece um maior teor de H2 e CO, o que favorece a sua utilização para
obtenção de combustíveis líquidos como o diesel e a gasolina através do processo de
“Fischer-Tropsch”. Essa característica lhe confere a denominação de gás de síntese.
8
O percentual de H2, no gás produzido, está em uma faixa desde 38 a 56 %Vol e
de CO em uma faixa de 17 – 32 %Vol (Gil, 1999). Todavia, a gaseificação com vapor
se processa de forma endotérmica, necessitando, portanto, de fornecimento de calor para
sustentação das reações.
Esse calor pode ser fornecido através da queima do carvão produzido no
processo de gaseificação com vapor em uma câmara separada e transferido através de
um meio, como a areia, por um processo de recirculação desse material entre as
câmaras. Esse processo é utilizado em plantas como a de Güssing na Áustria (Pfeifer,
2007).
De acordo com Gil (1997), uma outra forma de fornecimento de
calor ao processo de gaseificação com vapor é através da adição de certo
quantidade de Oxigênio. Através do fornecimento de oxigênio, reações
exotérmicas são geradas juntamente com as reações endotérmicas próprias
da gaseificação com vapor. Então, uma gaseificação autotérmica pode ser
obtida. Nesse caso o principal problema é o preço do oxigênio.
Métodos para fornecimento de energia para
o processo de gaseificação com vapor
9
http://renet.at/english/sites/guessing.php
Gaseificação e motores de combustão interna
10
Gaseificação e ciclo combinado
Definição de gás de síntese
Gás contendo H2 e CO como principal componente combustível
Poder ser obtido a partir do gás natural ou da biomassa através
do processo de gaseificação.
Biomassa
Tratamento da biomassa
Gaseificação
Limpeza e condicionamento do gás
(remoção de alcatrão, impurezas e particulado, reforma)
Gás de sintese
FT (Sintese de
combustivel)
Sintese de combustivel
(Metanol)
FT
Hidrocarbonos
Metanol
Líquidos
Sintese de combustivel
(DME)
DME
Metanização
Gás Natural Sintético
Conversão de CO
Shift
Hidrogênio
Gasosos
Opções de Tecnologias de Gaseificação para Produção
de Gás de Síntese
Gaseificação em leito
fixo
Gaseificador Lurgi
Gaseificação direta (
auto-térmica)
Biomassa
Gaseificação em leito
fluidizado (vapor +
Värnamo
oxigênio)
Gaseificação em leito
arrastado
Gaseificação indireta
(alotérmica)
Gaseificação em leito (Güssing)
fluidizado (vapor)
Pirólise
Gaseificação em leito Tecnologia Choren
arrastado
11
(Gaseificação Direta – auto-térmica)
(LFC – Vapor/oxigênio)
Leito fixo
(Leito arrastado)
Varnamo
Tecnologia Choren (duplo estágio)
Pirólise/(gaseificação – leito arrastado)
Gaseificação indireta (alotérmica)
Gussing 100 kWt
O processo Fischer Tropsch é uma reação química sob ação de um
catalisador em que o CO e H2 são convertidos em hidrocarbonetos
líquidos de várias formas.
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Tipos de reatores Fischer-Tropsch
12
GASEIFICADOR EM LEITO FLUIDIZADO
Princípio de
Funcionamento
Nesse tipo de gaseificador o
combustível é introduzido em um
leito aquecido (areia,alumina), que
deverá estar em estado de
suspensão
ã ou fluidização.
fl idi ã O leito
l it se
comporta mais ou menos como um
fluido e é caracterizado por alta
turbulência devido a isso o
combustível se mistura rapidamente
com o material do leito.
13
Detalhamento do gaseificador em leito fluidizado
SISTEMAS
COMPONENTES
Sistema de alimentação de biomassa
Silo inferior e superior de biomassa;
Válvula rotativa;
Rosca transportadora e de alimentação.
Sistema de limpeza do gás
Ciclone;
Torre de lavagem dos gases;
Separadores;
Lavador Venturi.
Sistema de partida
Queimador a GLP;
Tanque de GLP;
Sistema de regulagem.
Sistema de aquisição de dados
Placa de aquisição;
Transdutores;
Computador.
Sistema de análise de gases
Sistema de lavagem;
Condicionador de amostra gasosa;
Analisadores contínuos.
Reator
Leito;
Freeboard.
14
Diagrama da configuração atual
Saída
de gás
Ciclone
Termopar
Isolante
Entrada
de água de
resfriamento
Alimentação
de
Biomassa
Freeboard
Silo de
alimentação
principal
Transportadora
helicoidal
Vávula
Rotativa
Rosca
de
alimentação
principal
Leito
Motor
Bicos Injetores
Saída
Combustível
de água de
para o
resfriamento queimador
Silo de
alimentação
secundário
Variador de
velocidade
Plenum
Coletor
de
Cinzas
Queimador
Aquisição
de
Dados
Ar
Sinal de 4 a 20 mA
Tratamento da biomassa
• Três tipos de Biomassa
– Casca de arroz,
• Não houve necessidade de tratamento
– Serragem
• Secagem
– Bagaço de cana
• Secagem, trituração
15
Tratamento da biomassa
Sistema de análise de gases
Analisador
Hydros 100
Amostra gasosa
Filtro
2.4
H2
18
5.2
CH4
4.5
Rotâmetro
CO
Analisador
Binos 100
Regulador de
Amostrador e
Pressão
Condicionador de
Amostra Gasosa
Sistema de análise de gases
16
Sistema de limpeza da amostra gasosa
Amostra de Gás
Limpa
Entrada da
Amostra de Gás
Filtro
Entrada da Água
de Resfriamento
Nível
da
Água
Entrada da Água
de Resfriamento
Lavador
Condensado
e
partículas
Análise de Alcatrão e Particulado
• Análise Gravimétrica
PROCEDIMENTO DE PARTIDA DO GASEIFICADOR
B
950
900
850
800
750
T4
T3
TLeito1
Tleito2
T5
T6
T7
T8
T9
T10
T12
T13
T14
T15
Tar
T11
700
650
Temperatura [°C]
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
A
100
50
0
0
10
20
30
40
50
60
70
C
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
Tempo [min]
17
Composição do gás de acordo com o fator de ar
Causas
Escoamento pistonado
Tempo de residência
Altura de alimentação da biomassa
Altura do leito utilizado
20
18
16
14
%vol
12
10
8
6
4
2
0
0,21
0,22
0,23
0,24
0,25
0,26
0,27
0,28
Fator de ar
CO
CH4
H2
Poder calorífico do gás em função do fator de ar
4,5
MJ//Nm³
4
3,5
3
2,5
2
0,21
0,22
0,23
0,24
0,25
0,26
0,27
0,28
Fator de ar
18
Dados comparativos
Referência
Temperatur
a do
leito
Tipo de
biomassa
Tipo de
gaseificador
Composição do gás
[Vol.%]
CO
CH4
H2
4,00
Mansaray (1999)
800
casca de arroz
LFB
20,00
5,00
Smeenk (2002)
700
capim elefante
LFB
17,06
5,16
5,61
Yin (2002)
790
casca de arroz
LFC
15,90
6,80
2,30
Este trabalho
780
casca de arroz
LFB
17,80
4,50
2,30
LFB - Leito fluidizado borbulhante
LFC - Leito fluidizado circulante
Gaseificação em leito fixo
• Gaseificador de fluxo cruzado
Gaseificador de fluxo cruzado acoplado a MCIA
Alimentação
de biomassa
Chaminé
Cavalete
dosador
Resfriador
Reator
Catalítico
Ar de
resfriamento
da grelha
Câmara
de
combustão
Filtro
Ventilador
("booster")
Painel de
sincronismo
Motogerador
Entrada de ar
19
SISTEMA GASEIFICADOR/MOTOR DE
COMBUSTÃO INTERNA.
Características:
Motores a gasolina
* Não é necessário fazer modificações
* O ar e o combustível são misturados previamente
e introduzido diretamente no carburador a
proporção de 1:1
* Podem operar somente com gás de biomassa
Motores diesel
* Não pode operar somente com gás
* Substituição do diesel em até 90 %
OBS: A utilização do gás diminui o rendimento motor,
aumenta a manutenção.
Bancada de testes do sistema de geração com gás de
biomassa
Utilização do Gás de Biomassa
20
Admissão do gás no motor
Gráfico Comparativo
Gaseificação com duplo estágio
21
Item
CO [%Vol.]
H2 [%Vol.]
CH4 [%Vol.]
PCI [MJ/Nm3]
Fator de ar
Valor
15
15
1,5
4
0,3 a 0,4
22