ASPECTOS TECNOLÓGICOS DE GASEIFICADORES E SISTEMAS DE LIMPEZA DE GASES TÓPICOS

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1 ASPECTOS TECNOLÓGICOS DE GASEIFICADORES E SISTEMAS DE LIMPEZA DE GASES TÓPICOS Histórico dos gaseificadores Principais gaseificadores em uso na atualidade Avaliação de desempenho de um gaseificador Sistemas de limpeza de gases

2 Início do século 19 utilização do gás d água; Em 1.839, na Alemanha, primeiro gaseificador (Bischof) a b c d e grelha plana entrada de ar cinzeiro alimentação de carvão saída de gás

3 Ebelman, em 1.840, na França, construiu um gaseificador de cinza fundida

4 Em 1.861, na Alemanha, os irmãos Siemens constróem primeiro gaseificador de porte industrial

5 0 processo de gaseificação adaptou-se também para a turfa e lignita, suprindo as necessidades de aquecimento nos processos industriais na Europa e nos Estados Unidos; Em 1919, Tuly apresentou a gaseificação em dois estágios: no primeiro realizava a carbonização do carvão, obtendo coque incandescente; no segundo, este coque era gaseificado com vapor d'água, obtendo-se um gás com 11 MJ/m 3

6 No período de a 1.881, na Inglaterra, Dowson desenvolveu projetos para resfriamento e limpeza do gás, desta forma tornou-se possível a aplicação do gás de gaseificador em motores de combustão interna, pequenos fornos e também para uso doméstico. 0 gerador de gás de Dowson, denominado gasogênio, operando com antracito ou coque, produziu gás com custo menor que o gás de iluminação Neste mesmo período, como opção de combustível industrial, surge o petróleo;

7 Em 1923, na Alemanha, a firma Badische Anilin Soda Fabrik (BASF) consegue produzir metanol a partir do gás de síntese (CO e H 2 ); Ainda em 1923, Fischer e Tropsch conseguem produzir produtos liquefeitos tal como "Synthol e petróleo sintético" a partir de gás de síntese. Synthol: mistura de álcoois, aldeídos e cetonas; Petróleo sintético: hidrocarbonetos de cadeia longa sem oxigênio;

8 Surgem então os gaseificadores modernos tais como: Winkler na década de 1920; Lurgi em 1936 e Koppers - Totzek em 1938, Todos utilizando oxigênio puro com objetivo de produzir gás de síntese.

9 Na década de 1940, com a exceção da Inglaterra, toda a Europa e os Estados Unidos começam a descobrir reservas de gás natural que, devido à sua limpeza e qualidade superior, tornam obsoleto o processo de gaseificação do carvão com ar e/ou vapor de água ; No entanto, durante o período da 2 a Guerra Mundial, os países importadores de petróleo recorrem ao gasogênio; mais de um milhão de unidades são construídas na Europa;

10 Com a mudança da política comercial do petróleo, pelos produtores, na período de , é sentida a crise de seu abastecimento e custo, fazendo com que fossem retomadas as pesquisas na área de gaseificação; No final da década de 80 e início de 90, com a queda do preço de petróleo, provocada pela percepção que a crise era artificial e política, e pela adoção em larga escala de medidas de conservação por parte dos grandes consumidores e pela descoberta de novas reservas de petróleo, as pesquisas na área de gaseificação sofrem novo refluxo;

11 No final da década de 90 e começo do século XXI, problemas relacionados com a questão ambiental, mais especificamente o aquecimento global, agravada pela combustão de combustíveis fósseis, incentivam a retomada de pesquisa em processos de gaseificação e combustão de combustíveis sólidos renováveis, biomassa;

12 Gaseificador de leito fixo; Gaseificador de leito fluidizado ou leito circulante; Segundo MANIATIS (2001), 77,5 % dos projetos de gaseificadores são do tipo de leito fixo, 20 % são do tipo fluidizado ou circulante e 2,5 % de outros tipos

13 O gaseificador contracorrente (com gaseificação de carvão mineral) é o de projeto mais antigo e simples e ainda é largamente utilizado para a gaseificação de carvão mineral e, em menor escala, para gaseificação de biomassa. No Brasil, algumas empresas de produção de CaO (cal) ainda empregam este tipo de gaseificador, gaseificando toras de madeira, para gerar gás combustível alimentado aos fornos de calcinação.

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15 0,5 a 1 MWth

16 Detalhes da grelha do gaseificador

17 Gaseificador pressurizado da Lurgi

18 As principais vantagens dos gaseificadores contracorrentes são: Simplicidade operacional e habilidade de gaseificar materiais com elevado teor de água e material inorgânico, como resíduo municipal; Potencial de operar com temperaturas muito elevadas na região da grelha (a menos que vapor d água seja injetado na grelha) capaz de fundir metais e escória (gaseificação com cinza fundida);

19 As principais desvantagens dos gaseificadores contracorrentes são: O gás gerado normalmente contem de 10 a 20 % do alcatrão gerado na pirólise do combustível, com uma concentração da ordem de 100 g/nm 3. Estes alcatrões, no entanto, queimam bem em processos de combustão direta. No caso de aplicações em motores de combustão interna, turbinas ou para geração de gás de síntese, o alcatrão deverá ser removido;

20 A grelha pode ser submetida a temperaturas muito elevadas, a não ser que vapor d água ou CO 2 seja injetado com o ar ou oxigênio; A granulometria do combustível alimentado tem de ser uniforme para evitar perda de carga elevada no leito (no caso do gaseificador atmosférico) ou formação de canais preferenciais;

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22 Imbert

23 Problemas de zonas frias na região de injeção de ar

24 Largamente empregado na Segunda Guerra Mundial, principalmente na Europa, devido ao embargo de derivados de petróleo para o esforço da guerra; milhares de unidades foram construídas

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26 Material de venda de gasogênios e acessórios no Brasil

27 Em 1982, no Solar Energy Research Institute, atualmente National Energy Laboratory, NREL, REED e GRABOSKI desenvolveram um protótipo de um gaseificador cocorrente, que eles denominaram de gaseificador cocorrente estratificado;

28 Variantes: modelo desenvolvido por MUKUNDA et al, do Instituto de Ciência Indiano, IIS vem apresentando bons resultados em testes de avaliação em laboratórios e em campo, na Índia Três unidades estão sendo trazidas ao Brasil para testes de avaliação de desempenho com biomassas locais.

29 CO H 2 CH 4 CO 2 N 2 19±1 18±2 1,25±0,5 12±2 complemento PCS= 4 a 4,4 MJ/kg; alcatrão 100 p/ 20 mg/m 3 ; particulado 700 p/ 50 mg/m 3

30 As principais vantagens dos gaseificadores co-correntes são: Consomem entre 99 a 99,9 % do alcatrão; desta forma o gás gerado pode ser transportado em tubulações e utilizados em motores com um mínimo de limpeza; Os materiais inorgânicos ficam retidos na matriz de carvão e cinza retirada pelo fundo dos gaseificadores, reduzindo de forma acentuada a necessidade de ciclones de elevada eficiência e filtros a quente; O gaseificador co-corrente é um sistema comprovado, com mais de um milhão de veículos utilizando este sistema durante a Segunda Guerra Mundial;

31 As principais desvantagens são: O combustível tem de apresentar baixa umidade (<20 %) e granulometria uniforme; O gás sai do gaseificador a temperaturas elevadas (em geral 700 o C); desta forma esta energia é perdida, a menos que haja algum aproveitamento (para preaquecimento do ar, secagem do combustível etc.); Tipicamente 4 a 7 % do carbono do combustível não é convertido, saindo com as cinzas pelo fundo do gaseificador;

32 P Velocidade de gás de fluidização

33 Leito fluidizado foi desenvolvido antes da Segunda Guerra Mundial para sistemas de gaseificação de carvão mineral de grande capacidade (gaseificadores Winkler); Equipamentos de leito fluidizado são reconhecidos por apresentarem taxas elevadas de produção e de troca de calor; Eles são mais complicados de operar que os leitos fixos e por esta razão são empregados majoritariamente em grandes instalações; Combustão de biomassa em leito fluidizado tem sido largamente utilizado devido à sua característica de poder operar com combustível com umidade elevada (até 65 % de umidade); Geram gases com teores de alcatrão intermediário entre os contracorrentes e co-correntes;

34 1 MW th ; atmosférico, borbulhante; 0,5 m φ int ; 5 m altura; bagaço de cana in natura; peletizado, cavaco madeira, casca de arroz, sabugo de milho, coque de petróleo, óleo combustível, borra oleosa, etc; ar, oxigênio, vapor d água.

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37 gaseificador opera a temperaturas de 950 a 1000 o C e uma pressão aproximada de 18 bar; combustível com umidade variando de 5 a 20 %; gases são resfriados a o C, filtrado a quente e queimados diretamente na turbina; CO H 2 CH 4 CO 2 N 2 16 a 19 9,5 a 12 5,8 a 7,5 14,4 a 17,5 48 a 52 poder calorífico do gás variou de 5,0 a 6,3 MJ/Nm 3

38 Operou de 1996 até 2000; teste com diversos materiais; conjunto mais de 3000 h; gaseificador mais de 8000 h; tecnologia consolidada;

39 potência (capacidade de produção) KW tipo de produto (composição do gás e suas propriedades; teores de alcatrão e particulado) a matéria prima e agentes da gaseificação a serem utilizados (ar, oxigênio, vapor d água), eficiência da gaseificação.

40 Amostras a serem coletadas: matéria prima (combustível sólido) produto (gás combustível) subprodutos (condensáveis) rejeitos (cinza, carvão não consumido)

41 Medições realizadas: taxa de consumo da matéria prima (biomassa, carvão mineral, resíduo municipal etc.); taxa de consumo dos agentes da gaseificação (ar, oxigênio, vapor d água); temperaturas de todos os produtos que entram ou saem do gaseificador; taxa de liberação dos rejeitos e subprodutos (cinzas, alcatrões, material particulado); taxa de produção de gás normalmente é calculada;

42 Caracterização das correntes: Análise imediata; Análise elementar; Poder calorífico superior (PCS); Análise gases (analisadores contínuos, cromatógrafos, Orsat)

43 Hipóteses assumidas nos balanços de massa e energia: - a matéria prima é homogênea; - durante a coleta das amostras o regime é permanente, ou não ocorre variação na composição destas amostras - as taxas de consumo da matéria prima e liberação de rejeitos e sub-produtos são assumidas como constantes, mesmo que a alimentação e retirada dos rejeitos e subprodutos sejam realizadas intermitentemente. - Outras, conforme as particularidades do equipamento e da sua operação.