Estado da Arte da Gaseificação de Biomassa para Geração de Eletricidade e Produção de Combustíveis

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1 Estado da te da Gaseificação de Biomassa para Geração de Eletricidade e Produção de Combustíveis Dr. Rubenildo Vieira Andrade ruben@unifei.edu.br 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 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% Petróleo 48% Biomassa Tradicional (não renovável) 3% Consumo de energia no Brasil Biomassa Tradicional (renovável) 9% Grandes hidrelétricas 13% Carvão 7% Núclear 1% 1

2 Processos de Conversão da Biomassa Combustão Pirólise Gaseificação Biomassa Biodigestão Extração de bio-óleos Fermentação Combustão direta em motores Transesterificação Biodiesel Álcool Diesel Ciclo a vapor (agente de gaseificação) PCI (4-6 MJ/Nm³) Motores de combustão interna Geração de eletricidade Gaseificação Misturas de vapor (agente de gaseificação) PCI (9-19 MJ/Nm³) turbinas a gás Ciclo combinado Células a Combustivel Produção de combustíveis Misturas de vapor (agente de gaseificação) PCI (9-19 MJ/Nm³) Fischer Tropsch 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

3 CLASSIFICAÇÃO DOS GASEIFICADORES CLASSIFICAÇÃO Circulante Pressurizados PRESÃO Atmosféricos Concorrente Fixo Contracorrente Fluxo cruzado LEITO Fluidizado Borbulhante GASEIFICADORES CONTRACORRENTE UPDRAFT Alimentação da Biomassa Secagem Pirólise redução combustão Cinzas Gás Simplicidade Alta Eficiência Térmica Produção de gás com altos teores de alcatrão Fluxo de gás se movimentando em sentido contrario a biomassa GASEIFICADORES CONCORRENTE DOWNDRAFT Características Alimentação de biomassa Mais difundidos Relativamente livre de alcatrões secagem pirólise combustão redução Cinzas Gás 3

4 Gaseificador Imbert GASEIFICADOR DE FLUXO CRUZADO CROSSFLOW Características alimentação de Gás com características biomassa intermediárias Taxa de fornecimento de ar maior Rápida resposta a secagem variação de carga Simplicidade de Z Gás construção Z C R Peso reduzido Pirólise Limitação quanto ao tipo Cinzas 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 4

5 redução Cinzas secagem pirólise combustão 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 Tipos de gaseificadores Alimentação de biomassa Alimentação da Biomassa Gás Alimentação de biomassa Alimentação de biomassa Grelha Saída do gás Entrada de ar Secagem Pirólise redução combustão Cinzas Anel de distribuição de ar Entrada de ar Garganta Grelha Saída do gás Gás Retirada das cinzas Retirada das cinzas Alimentação de biomassa Saída do gás alimentação de biomassa Gás Grelha secagem para resfriamento da grelha Entrada do ar Z Z C R Pirólise Gás Retirada das cinzas Cinzas ZC combustão ZR 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 mg/nm³ g/nm³ < 5 g/nm³ 5

6 Tabela 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] Metais Pesados [mg/nm³] Motor de combustão interna < 50 <10 <100 Turbina a gás < 30 < 5 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 Gaseificador Gás sem tratamento Caldeira Calor Lavadores Craqueamento Catalítico Turbina a gás MCI Motor Stirling Célula combustível Eletricidade Cogeração Craqueamento em leito catalítico Termo craqueamento Gás limpo Conversão Reforma Sintese "Shift" Álcool Metanol Gasolina Amônia 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 Aplicação /Vapor/O2 particulado N, S, compostos halogênios Figura 1.37 Diagrama da conversão de alcatrão pelo método primário Devi (2003). Biomassa Gaseificador Gás + Alcatrão Remoção do alcatrão Gás livre de alcatrão Aplicação Limpeza do gás /Vapor/O2 Limpeza posterior ao reator (Alcatrão, particulado,n, S, compostos halogênios) Figura Diagrama da conversão do alcatrão por métodos secundários Devi (2003). 6

7 Gaseificação em duplo estágio FATORES QUE INFLUENCIAM QUALIDADE DO GAS GERADO. NA OPERAÇÃO E Características da Biomassa Composição elementar Poder calorífico Granulometria Umidade Agente de gaseificação 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; H 2 - Hidrogênio CO 2 dióxido de carbono; CH 4 metano; H 2 O vapor de água; N 2 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

8 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 O 2 CO H =-111 kj/mol 2 Oxidação completa C O 2 CO 2 H = 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 O CO H = kj/mol 2 H 2 Reação Bourdouard C CO 2CO H = kj/mol 2 Reação de formação do metano 2 4 C 2H CH H = - 75 kj/mol Reações Homogêneas (fase gasosa) Reação gás-água shift CO H O CO H = - 41 kj/mol 2 2 H 2 Reação de formação do metano CO 3H 2 CH 4 H 2O H = +206 kj/mol Tipos de agente de gaseificação: 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

9 O percentual de H2, no gás produzido, está em uma faixa desde 38 a 56 %Vol e de CO em uma faixa de %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

10 Gaseificação e motores de combustão interna 10

11 Gaseificação e ciclo combinado Definição de gás de síntese Gás contendo H 2 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) Sintese de combustivel (DME) Metanização Conversão de CO Shift FT Hidrocarbonos Líquidos Metanol DME Gás Natural Sintético Hidrogênio Gasosos Opções de Tecnologias de Gaseificação para Produção de Gás de Síntese Gaseificação em leito fixo Gaseificador Lurgi Gaseificação direta ( auto-térmica) Gaseificação em leito fluidizado (vapor + oxigênio) Värnamo Biomassa Gaseificação em leito arrastado Gaseificação indireta (alotérmica) Gaseificação em leito fluidizado (vapor) (Güssing) Pirólise Gaseificação em leito arrastado Tecnologia Choren 11

12 12 (Gaseificação Direta auto-térmica) Leito fixo (LFC Vapor/oxigênio) (Leito arrastado) Varnamo Tecnologia Choren (duplo estágio) Gaseificação indireta (alotérmica) Pirólise/(gaseificação leito arrastado) Gussing 100 kwt FischerTropschsinteseFischerTropschbaixatemperatura(co,fe)graxas(>C20)HidrogenaçãoO processo Fischer Tropsch é uma reação química sob ação de um catalisador em que o CO e H 2 são convertidos em hidrocarbonetos líquidos de várias formas.biomassagaseificaçãocondicionamentoelimpezadogásfischertropschaltatemperatura(fe)olefinasdieselgasolina(c3-c11)hidrogenaçãotipos de reatores Fischer-Tropsch

13 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 ou fluidização. O leito 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

14 Detalhamento do gaseificador em leito fluidizado SISTEMAS Sistema de alimentação de biomassa Sistema de limpeza do gás Sistema de partida Sistema de aquisição de dados Sistema de análise de gases Reator COMPONENTES Silo inferior e superior de biomassa; Válvula rotativa; Rosca transportadora e de alimentação. Ciclone; Torre de lavagem dos gases; Separadores; Lavador Venturi. Queimador a GLP; Tanque de GLP; Sistema de regulagem. Placa de aquisição; Transdutores; Computador. Sistema de lavagem; Condicionador de amostra gasosa; Analisadores contínuos. Leito; Freeboard. 14

15 Diagrama da configuração atual Saída de gás Termopar Ciclone Isolante Entrada de água de resfriamento Freeboard Alimentação de Biomassa Transportadora helicoidal Silo de alimentação principal Rosca de Vávula alimentação Rotativa principal Leito Motor Bicos Injetores Silo de alimentação secundário Saída Combustível de água de para o resfriamento queimador Plenum Coletor de Cinzas Variador de velocidade Queimador Sinal de 4 a 20 ma Aquisição de Dados Tratamento da biomassa Três tipos de Biomassa Casca de arroz, Não houve necessidade de tratamento Serragem Secagem Bagaço de cana Secagem, trituração 15

16 Tratamento da biomassa Sistema de análise de gases Amostra gasosa Filtro Analisador Hydros H CO CH4 Amostrador e Condicionador de Amostra Gasosa Regulador de Pressão Rotâmetro Analisador Binos 100 Sistema de análise de gases 16

17 Sistema de limpeza da amostra gasosa Entrada da Amostra de Gás Filtro Amostra de Gás Limpa Entrada da Água de Resfriamento Entrada da Água de Resfriamento Nível da Água Lavador Condensado e partículas Análise de Alcatrão e Particulado Análise Gravimétrica PROCEDIMENTO DE PARTIDA DO GASEIFICADOR 950 B Tempera tura [ C] T4 T3 TLeito1 Tleito2 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T12 T13 T14 T15 Tar T A C Tempo [min] 17

18 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 %vol ,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 4 MJ/ /Nm³ 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

19 Dados comparativos Referência Temperatur a do leito Tipo de biomassa Tipo de gaseificador Composição do gás [Vol.%] CO CH 4 H 2 Mansaray (1999) 800 casca de arroz LFB 20,00 5,00 4,00 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 Resfriador Reator Catalítico Cavalete dosador Filtro Ventilador ("booster") Painel de sincronismo de resfriamento da grelha Entrada de ar Câmara de combustão Motogerador 19

20 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

21 Admissão do gás no motor Gráfico Comparativo Gaseificação com duplo estágio 21

22 Item Valor CO [%Vol.] 15 H2 [%Vol.] 15 CH4 [%Vol.] 1,5 PCI [MJ/Nm 3 ] 4 Fator de ar 0,3 a 0,4 22