Gaseificação de Biomassa - Histórico e Conceitos Básicos

Transcrição

1 Tecnologia e Estado da Arte da Gaseificação de Biomassa, Universidade do Amazonas, Manaus, 8 e 9 de abril de 2002 Gaseificação de Biomassa - Histórico e Conceitos Básicos NIPE/UNICAMP

2 Leito Fluidizado 100 kg/h de Biomassa

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5 Gaseificação, um novo processo?

6 Os princípios básicos da gaseificação de biomassa são conhecidos desde o final do século XVIII. As primeiras aplicações comerciais foram registradas em Em 1850, grande parte da cidade de Londres era iluminada com gás e a indústria então estabelecida cresceu usando gaseificadores para produzir gás, principalmente de carvão mineral e madeira. Em 1881, pela primeira vez o gás de gaseificação foi usado para acionar um motor de combustão interna. Nos anos de 1920 várias demonstrações de aplicações estacionárias, caminhões, tratores e automóveis aconteceram na Europa e outras partes, mas foram aos poucos abandonadas. Durante a Segunda Guerra Mundial os gaseificadores de biomassa para a geração de eletricidade reapareceram com força na Europa, Ásia, América Latina e Austrália, devido a escassez de petróleo. Apenas na Europa cerca de um milhão de veículos eram acionados por gaseificadores naquela época usando carvão vegetal ou madeira. Com o fim da guerra foram todos abandonados novamente. As crises energéticas dos anos de 1970 e 1980 reacendem o interesse pela gaseificação de biomassa Fonte: Stassen, H.E. (1995) Small-Scale Biomass Gasifiers for Heat and Power. A Global Review. World Bank Technical Paper Number 296, Energy Series.

7 O que é a biomassa? lenha, resíduos de serrarias e movelarias, produtos da cana, álcool etílico, bagaço, resíduos agro-pecuários, florestais, industriais, casca de arroz, esterco, carvão vegetal e briquetes, óleos vegetais; palma, mamona, buriti, resíduos urbano, Lixivia, licor negro, casca de madeira, etc.

8 Constituintes da Biomassa Celulose Hemicelulose Lignina Extrativos Minerais

9 Outras Formas de Analisar a Biomassa Análise Elementar C H O N S Cl Si, etc Análise Imediata Carbono fixo Matéria volátil Umidade Teor de cinzas

10 Análise Elementar da Biomassa, % b.s. C H N O Bagaço de cana 43,8 5,8 0,4 47,1 Fibra de coco 47,6 5,7 0,2 45,6 Casca de coco 50,2 5,7 0,0 43,4 Sabugo de milho 47,6 5,0 0,0 44,6 Pé de milho 41,9 5,3 0,0 46,0 Resíduo de algodão 42,7 6,0 0,1 49,5 Casca de amendoim 48,3 5,7 0,8 39,4 Casca de painço 42,7 6,0 0,1 33,0 Casca de arroz 38,9 5,1 0,6 32,0 Palha de arroz 36,9 5,0 0,4 37,9 Madeira (subabul) 48,2 5,9 0,0 45,1 Palha de trigo 47,5 5,4 0,1 35,8 Fonte: Fuel, 74(12), , 1995

11 Análise Imediata, Poder Calorífico Superior e Massa Específica da Biomassa, % b.s. Cinzas Voláteis PCS (MJ.kg -1 ) Massa específica (kg.m -3 ) Bagaço de cana 2,9 84,2 16, Fibra de coco 0,9 82,8 14, Casca de coco 0,7 80,2 20, Sabugo de milho 2,8 85,4 15, Pé de milho 6,8 80,1 16, Resíduo de algodão 5,4 88,0 17, Casca de amendoim 5,9 83,0 18, Casca de painço 18,1 80,7 17, Casca de arroz 23,5 81,6 15, Palha de arroz 19,8 80,2 16, Madeira (subabul) 0,9 85,6 19, Palha de trigo 11,2 83,9 17, Fonte: Fuel, 74(12), , 1995

12 Celulose Hemicelulose Lignina Extrativos Bagaço de cana 41,3 22,6 18,3 13,7 Fibra de coco 47,7 25,9 17,8 6,8 Casca de coco 36,3 25,1 28,7 8,3 Sabugo de milho 40,3 28,7 16,6 15,4 Pé de milho 42,7 23,6 17,5 9,8 Resíduo de algodão 77,8 16,0 0,0 1,1 Casca de amendoim 35,7 18,7 30,2 10,3 Casca de painço 33,3 26,9 14,0 10,8 Casca de arroz 31,3 24,3 14,3 8,4 Palha de arroz 37,0 22,7 13,6 13,1 Madeira (subabul) 39,8 24,0 24,7 9,7 Palha de trigo 30,5 28,9 16,4 13,4 Fonte: Fuel, 74(12), , 1995

13 Composição das Cinzas da Biomassa, ppm b.s. Si Ca K Na Mg Al Mn Fe P S Bagaço de cana Fibra de coco Casca de coco Sabugo de milho Pé de milho Resíduo de algodão Casca de amendoim Casca de painço Casca de arroz Palha de arroz Madeira (subabul) Palha de trigo Fonte: Fuel, 74(12), , 1995

14 Gaseificação de biomassa é um processo no qual o combustível sólido é fragmentado com o uso de calor numa atmosfera com pouco oxigênio para a geração de uma mistura de gases combustível.

15 Processos de Conversão de Biomassa Combustão Gaseificação Pirólise (Carbonização) Liquefação Torrefação Fermentação Hidrólise Biodigestão Digestão Extração de Óleos (Físico)

16 Processos Termoquímicos e Produtos Tecnologias de Conversão Produtos Primários Tecnologias de Processamento Produtos Secundários Pirólise Liquefação Água Carvão Bio-óleo Misturador Transformação Turbina Emulsões Gasollina + Diesel Gás MPC* Síntese Metanol Gaseificação Gás BPC* Gerador Álcool Combustão Calor Síntese Caldeira Potência Amônia *MPC e BPC significam Médio e Baixo Poder Calorífico, respectivamente.

17 Rendimentos (% b.s.) Líquido (%) Sólido (%) Gás (%) Pirólise Rápida Temperatura moderada, curto tempo de residência dos vapores Carbonização Baixa temperatura, tempo de residência longo Gaseificação Alta temperatura, tempo de residência longo Fonte: WRE, 4(1) 2001

18 Reações de Gaseificação de Biomassa Zona de oxidação C + O 2 C O ,9 kj/mol H + O 2 H 2 O + 241,1 kj/mol Zona de Redução C + CO ,9 kj/mol 2 CO C + H 2 O +122,6 kj/mol CO + H 2 CO 2 + H ,3 kj/mol CO +H 2 O C + 2H 2 CH ,0 kj/mol CO+3H 2 CH 4 +H 2 O + 205,9 kj/mol

19 Severidade da Pirólise e seus produtos (Milne & Evans, 1987)

20 Modelo dos Fenômenos Físicos da Modelo de Partícula Porosa Gaseificação 1. Difusão dos reagentes através do filme estacionário que envolve a superfície externa da partícula, 2. Difusão do gás e reagente no poro em direção ao centro da partícula, 3. Adsorção, reação na superfície e desorção na parede do sólido, 4. Difusão do produto de reação para fora do poro, 5. Difusão do produto de reação através do filme estacionário.

21 Características da Matéria-prima para Vários tipos de Gaseificadores Gasifier Type Downdraft (co-corrent) Updraft (countercorrent) Open-core (rice husk) Cross-draft (charcoal) Size (mm) Moisture (% w.b) < < 50 < 12 < 7 Ash (% d.b) < 5 < 15 Approx. 20 < 6 Morphology uniform Reasonable uniform uniform uniform Bulk density > 500 > 400 > 100 > 400 (kg/m 3 ) Ash melting point ( C) > 1250 > 1250 > 1000 > 1250

22 Composição típica dos gases para diferentes combustíveis e tipos de gaseificadores Tipo de gaseificador Umidade (% bu) Contra-corrente Madeira (10-20%) Concorrente Madeira (10-20%) Fluxo cruzado Carvão vegetal (5-10%) Hidrogênio Monóxido de carbono Metano Dióxido de carbono , Nitrogênio Oxigênio Umidade no gás (Nm 3 água/nm 3 gás seco) 0,20-0,30 0,06-0,12 < 0,3 Alcatrão no gás (g/nm 3 gás seco) ,1-3 < 0,3 Poder calorífico inferior (MJ/Nm 3 gás seco) Temperatura de saída ( 0 C) 5,3-6, ,5-5, ,0-5,2

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24 Rendimento de alcatrão x Temperatura (Baker et al. 1988)

25 Proposta de Maturação do Alcatrão (Elliott, 1988)

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27 Updraft and Downdraft Gasifiers Tar MBMS, (Reed et al. 1986)

28 Composição do alcatrão de gaseificação de biomassa a 780 C, pressão atmosférica, (Bangala et al. 1997)

29 Componentes do Alcatrão de Biomassa (Elliott, 1988) Pirólise Flash Convencional (450 C C) Pirólise Flash Alta Temperatura (600 C C) Gaseificação Convencional com Vapor (700 C C) Gaseificação a Alta Temperatura com Vapor (900 C C) Ácidos Aldeídos Cetonas Furanos Álcoois Compostos oxigenados complexos Fenóis Guaiacóis Siringis Fenóis complexos Benzenos Fenóis Catecóis Naftalenos Bifenis Fenantrenos Benzofuranos Benzaldeídos Naftalenos Acenaftilenos Fluorenos Fenantrenos Benzaldeídos Fenóis Naftofuranos Benzantracenos Nafetaleno Acenaftileno Fenantreno Fluoreno Pireno Acefnantrileno Benzaltracenos Benzopirenos PAR PM 226 PAR PM 276

30 Aspectos Relevantes na Comercialização de Tecnologias de Gaseificação de Biomassa Confiabilidade e Manutenção A qualidade do produto deve satisfazer as especificações do cliente Aderência a legislação no que diz respeito a responsabilidade do fabricante, a segurança e a saúde Aderência do sistema e seus componentes aos padrões internacionais O sistema deve ser vantajoso para o fabricante e para o usuário do ponto de vista dos custos Os sistemas de gaseificação devem ser bem projetados e documentados e o pessoal envolvido deve ser bem treinado para projetar, desenvolver, instalar, dar partida e operar o sistema

31 Tecnologias de Limpeza de Gases

32 Fluxograma de Gaseificação de Biomassa com Aplicação em Cogeração Fonte:

33 Outras Aplicações da Gaseificação de Biomassa Produção de gás de síntese para uso em Síntese Fischer-Tropsch, CO + H 2 + N 2 HC + H 2 O + N 2 + CO 2 Produção de H 2 para alimentar célula de combustível Produção de metanol

34 O trabalho necessário para operar uma planta de gaseificação é consideravelmente diferente daquele necessário para operar um motor diesel. Esta diferença é qualitativa e quantitativa. Durante a operação, o operador de um gaseificador deve freqüentemente verificar vários medidores de temperatura e pressão e com base nessas informações tomar decisões tais como: adicionar novo combustível, mover a grelha, limpar os filtros e ajustar válvulas. No final de sua jornada diária, o operador deve normalmente limpar o reator e filtros removendo as cinzas e outras partículas. Finalmente, ele também deve preparar o combustível e fazer o controle de qualidade. Assim, ao contrário de operadores de motores diesel, que podem realizar outras tarefas não relacionadas diretamente com o sistema, o operador de um sistema de gaseificação de pequena escala é uma função de tempo integral. Stassen, H. E., 1995

35 Custos para Implantação de Sistemas de Geração com Gaseificadores de Biomassa Componentes Concorrente Contra-corrente Investimentos Diretos Custos (ECU) Gaseificador Multi ciclone Craqueador de alcatrão Trocador de calor Scrubber + demister Compressor Motor a gás e gerador 1 MW 2 ) TOTAL Fonte: Stassen & Knoef, 2001

36 Projetos Interrompidos Larga escala Maui, Hawaii, problemas com alimentação de bagaço; Biocycle, Dinamarca, cancelado pela concessionária; Projeto Minnesota (alfalfa), risco muito alto; Projeto Vega, Eskiltuna, Suécia, cancelado pela concessionária (1992); Projeto Norte da Holanda, problema com contratos de longa duração Pequeno porte Wamsler, Alemanha DML, Alemanha Marick International (Biomass Engineering), Reino Unido Arcus, Alemanha Power Gasifiers, Reino Unido Mega Limburg, Holanda Easymod, Alemanha Border Biofuels etc. Alguns desses projetos foram interrompidos devido a mudanças na política das companhias

37 Fabricantes de Sistemas de Gaseificação de Biomassa EUA 14 Alemanha 11 R.U. 6 Suíça 4 Dinamarca 4 Áustria 3 Canadá 3 Finlândia 3 Itália 3 França 2 Suécia 2 Bélgica 1 Holanda 1 Tecnologias de Gaseificação concorrente contracorrente leito fluidizado outros Fonte:

38 Värnamo, Suécia Leito fluidizado circulante pressurizado (1,8 MPa), ar Matéria-prima: madeira, palha, etc. 6 MW e e 9 MW t horas de operação (3.600 IGCC)

39 Vermont, EUA Capacidade 200 t/dia Gás 16,75 MJ/Nm 3 Matéria-prima: cavaco de madeira Tecnologia: leito fluidizado, vapor Temp o C > 7-8 MW

40 Esquema do processo Battelle-FERCO

41 Esquema do processo ARBRE

42 Tecnologias Concorrentes com a Gaseificação de Biomassa

43 Obrigado! Não percam amanhã!!!