Gaseificação de serragem de pinus em leito fluidizado

Gaseificação de serragem de pinus em leito fluidizado João Paulo Vissotto 1, Renato Cruz Neves², Elisabete Maria Saraiva Sanchez 3 e Caio Glauco Sanchez 4 1 Eng. Mecânico, M.Sc, UNICAMP, vissotto@fem.unicamp.br, 2 Físico, M.Sc., CTBE-CNPEM, renatocruzneves@gmail.com, 3 Química, Ph.D, UNISAL, elisabete.sanchez@sj.unisal.br 4 Eng. Mecânico, Ph.D, UNICAMP, caio@fem.unicamp.br Resumo A utilização da biomassa como fonte de energia tem aumentado nas últimas décadas principalmente após o protocolo de Kyoto. Os processos de utilização da madeira produzem serragem, um resíduo que também pode ter destino energético através da gaseificação. Gaseificação é a conversão de qualquer combustível sólido, líquido ou pastoso em gás combustível através da oxidação parcial em atmosfera redutora. Este trabalho apresenta resultados experimentais da gaseificação de serragem de pinho em um reator de leito fluidizado. O gás pode ser utilizado em conjunto com o combustível primário em caldeiras e também diretamente em motogeradores. Com um fator de ar de 0,50 obteve-se um gás com PCI de 1,93 MJ.Nm - 3 e com temperatura do leito de 850 ºC. Para um fator de ar de 0,30 obteve-se PCI de 3,63 MJ.Nm -3 e a temperatura do leito durante o processo foi de 730 ºC. Palavras-chave: Gaseificação, energia renovável, poder calorífico, serragem de pinus. Abstract The use of biomass as an energy source has increased in recent decades especially after the Kyoto protocol. The use of wood produces sawdust which can also be converted in energy through the gasification. Gasification is the conversion of any solid fuel, liquid or paste in a fuel gas by partial oxidation in reducing atmosphere. This paper presents experimental results of pine sawdust gasification in a fluidized bed reactor. The gas may be used in conjunction with the primary fuel in boilers and also directly in moto generators. With an air ratio 0.50 was obtained a gas with LHV of 1.93 MJ.Nm - 3 in a bed temperature of 850 C. For an air ratio 0.30 was obtained LHV of 3.63 MJ.Nm -3 when the bed temperature during the process was 730 ºC. Keywords: Gasification, renewable energy, heating value, pinus sawdust. I. INTRODUÇÃO A biomassa deixou de ser atraente economicamente após o término da crise do petróleo. O crescimento vertiginoso da extração do petróleo com a consequente redução dos custos de escala, praticamente sepultou seu uso para a geração de combustíveis. Após o protocolo de Kyoto, em que países estabeleceram metas internas para a diminuição da geração de gases do efeito estufa, abriu-se uma nova lacuna para o uso de biomassa com a intenção de produção de energia limpa. Ainda é imperativo que a obtenção de energia seja oriunda da oxidação de carbono, quer seja de biomassa ou do petróleo como matéria prima [1]. Contudo, a necessidade de redução dos efeitos da emissão de CO 2 na atmosfera conduz para maior utilização de biomassa na matriz energética. O CO 2 emitido através da oxidação do carbono que está na biomassa e seus derivados são enquadrados no ciclo de absorção do CO 2 pela fotossíntese. O dióxido de carbono da oxidação de derivados do petróleo não entra nesse balanço, aumentando a concentração na atmosfera [1]. Contudo, o principal método para emprego da biomassa sólida na geração de energia é através da combustão direta com produção de calor. A produção de compostos de madeira produz serragem e atualmente a compostagem prevalece como destinação da serragem. Esse método faz o uso da serragem apenas para emprego agrícola, como adubo orgânico, ignorando o potencial da serragem como fonte de energia. A área plantada para fins industriais em 2013 foi de 7,6 milhões de hectares [2], representando um crescimento de 2,8 % em relação a 2012. A partir da instituição da Política Nacional de Resíduos Sólidos pelo Governo Federal do Brasil em três de agosto de 2010, através da Lei Nº 12.305 [3] normatizou-se a destinação de resíduos sólidos e regulamentação da destinação energética. A serragem é classificada como Resíduos Classe II-A, classe de materiais não inertes com propriedade de biodegradabilidade, combustibilidade e solubilidade em água. Este trabalho tem como intenção demonstrar o potencial energético da serragem de pinus, através da produção de gás combustível pelo processo de gaseificação. A aplicação desse gás combustível é indicada na substituição de combustíveis fósseis em empresas do setor madeireiro, que pela disponibilidade da serragem de maneira contínua garantem a alimentação de grupos motogeradores. Comunidades isoladas também podem obter benefícios com a gaseificação de resíduos de biomassa, desde que utilizando reatores de gaseificação adaptados para os resíduos em específico. Os experimentos de gaseificação são realizados em reator de leito fluidizado, por ser de maior facilidade na adaptação de biomassas polidispersas.

II. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A Agência Internacional de Energia (AIE) estima que em aproximadamente quinze anos cerca de 30 % do total da energia consumida pela humanidade será proveniente das fontes renováveis e que hoje representam 14 % da energia produzida no mundo, sendo a biomassa 11,4 % na participação da oferta [4]. De acordo com Brito [5] o uso da madeira para energia engloba diminuir a dependência energética externa e uma maior segurança quanto ao suprimento da demanda, algo que muitos dos combustíveis hoje empregados não proporcionam. Além do mais, graças ao seu alto potencial renovável e produtivo, especialmente no caso brasileiro, a madeira representa uma matriz energética ambientalmente mais limpa e socialmente mais justa, pois é uma das fontes de energia que permite uma das maiores taxas de geração de emprego por recurso monetário investido. Para Hüeblin [6] os principais resíduos da indústria madeireira são: a) a serragem, originada da operação das serras, que pode chegar a 12 % do volume total de matéria-prima; b) os cepilhos ou maravalhas, gerados pelas plainas, que podem chegar a 20 % do volume total de matéria prima, nas indústrias de beneficiamento; c) a lenha ou cavacos, composta por costaneiras, aparas, refilos, cascas e outros, que pode chegar a 50 % do volume total de matéria-prima, nas serrarias e laminadoras. Mady [7] ressalta que o desperdício no setor madeireiro ainda é muito grande, apesar dos avanços tecnológicos. Estima-se que do volume total de uma tora, seja aproveitado cerca de 40 % a 60 %, significando que a cada 10 árvores cortadas, apenas cinco serão aproveitadas comercialmente. Na tabela 1 é apresentado um comparativo entre valores encontrados na literatura para análise elementar; análise imediata e de poder calorífico. Tabela 1 Análise elementar e poder calorífico do pinus Pinus Análise Pinus 1 Pinus 2 Análise Elementar (% B.S. sem cinzas) Carbono 49,10 49,25 Hidrogênio 6,40 5,99 Nitrogênio 0,20 0,06 Enxofre 0,20 0,03 Oxigênio 44,00 44,36 Poder Calorífico Superior (B.S.) MJ/kg 19,79 20,02 Fontes: 1- Miller & Tillman [8]; 2 - Jenkins, [9]. O uso de gaseificadores é datado do início do século XIX, quando na Inglaterra, pela primeira vez, se fez uso de um processo de destilação seca de material orgânico para a geração de gás. A figura 1 apresenta os principais marcos associados ao desenvolvimento da gaseificação no mundo. Entre 1850 e 1940 ocorreu à fase inicial da gaseificação. O gás era produzido a partir de carvão mineral e utilizado exclusivamente para iluminação e aquecimento. O gás utilizado na iluminação contribuiu para o aumento da jornada de trabalho durante a revolução industrial, em especial nos dias mais curtos do inverno. A invenção da lâmpada incandescente por volta de 1900 reduziu a utilização do gás na iluminação, mesmo assim ele continuou sendo utilizado para aquecimento e cocção [10]. Figura 1 Marcos da gaseificação no mundo. Fonte: Adaptado de: Bazu [10].

Com a oferta do gás natural houve uma redução na necessidade do uso da gaseificação. Algumas empresas surgiram nesse período e desenvolveram diferentes tecnologias para gaseificação, tais como a como a Winkler, em 1926 com leito fluidizado, a Lurgi em 1931 com leito movente e pressurizado e a Kopper s-tozek com leito arrastado [10]. Os primeiros gaseificadores de leito fluidizado de grande porte foram representados pelos gaseificadores de carvão da empresa alemã Winkler, que eram torres de 13 m de altura e uma seção de 12 m² e entraram em operação em 1926 alimentadas por carvão em pó. Unidades foram construídas primeiramente na Alemanha e depois no Japão. Sua operação produzia CO e H 2 com a injeção de oxigênio acima do leito. Comparado com os modernos gaseificadores de leito fixo seu rendimento é baixo, cerca de 50 %, devido ao alto consumo de oxigênio [11]. III. CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DOS COMBUSTÍVEIS Os processos de conversão termoquímica exigem pleno conhecimento das propriedades físico-químicas de um combustível, sendo de vital importância para os cálculos dos projetos. As propriedades químicas, a composição imediata, a composição elementar e o poder calorifico, são fundamentais para determinar a potencialidade de aplicação do combustível, ou seja, realizar os cálculos térmicos ou o balanço de energia em equipamentos energéticos [1]. Os sistemas fluidizados contêm partículas com tamanhos e formas diferentes. Nesses sistemas são necessários os conhecimentos das propriedades estáticas e fluidodinâmicas do material inerte e da matéria prima de reação do processo [12]. A caracterização das biomassas foi realizada no Laboratório de Caracterização de Biomassas e Resíduos do Departamento de Engenharia Térmica e de Fluídos da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP. A. Análise imediata A análise imediata fornece as frações em massa de umidade, voláteis, cinzas e carbono fixo de uma amostra de biomassa. As amostras foram preparadas em pequenas quantidades de 30 g iniciais e colocadas em cadinhos com tampa. B. Análise de umidade A determinação de umidade é a primeira análise a ser realizada e demonstra a aplicabilidade do material em processos termoquímicos. Biomassas com umidade superior a 50% têm restrições quanto ao uso termoquímico. Para a determinação da umidade foi seguido um roteiro da norma: E871 82 (Reapproved 2006) Standard Test Method for Moisture Analysis of Particulate Wood Fuels [13]. Esta norma se aplica a combustíveis particulados de madeira: Pellets, serragem, cavacos de árvore verde, destocagem, madeira triturada ou qualquer tipo de combustível de madeira particulada de volume inferior a 1 in³. Para determinação da umidade é necessário a utilização de estufa de secagem com controle de temperatura e uma balança de precisão. Segundo a norma, a biomassa deve ser seca por 16 horas a 103±1ºC, após esse período deve ser pesada e colocada no forno por mais 2 horas na mesma temperatura e pesada novamente. O processo de ressecagem de 2 horas deve ser repetido até a massa estabilizar com uma diferença menor que 0,2% em massa. C. Voláteis A determinação de voláteis de madeiras segue roteiro da norma E 872-82 (Reapproved): Standard Test Method for Volatile Matter in the Analysis of Particulate Wood Fuels [14]. O procedimento é em sequência à análise de umidade. Este método de teste determina a porcentagem de produtos gasosos, excluído o vapor da umidade, na amostra de análise de combustível de partículas de madeira que é liberado nas condições de teste. A análise de voláteis é realizada em mufla, onde a amostra de biomassa é colocada por 7 minutos dentro da mufla aquecida a 950±20ºC. Após a amostra deve ser resfriada em um dessecador fechado a vácuo. A diferença de massa é medida em balança de precisão. D. Análise de cinzas As cinzas são material residual da oxidação completa do combustível sólido, composta basicamente por constituintes inorgânicos, ou seja, todos os constituintes minerais do combustível e, dependendo do combustível original, poderá ter a destinação como insumo agrícola. Esses minerais são apresentados na forma de óxidos, como por exemplo, Óxido de alumínio (Al 2O 3); Óxido férrico (Fe 2O 3); Óxido de silício (SiO 2); Óxido de Potássio (K 20); Óxido de Calcio (CaO); Óxido de Magnésio (MgO); etc. A determinação de cinzas segue o roteiro das normas ASTM E1102 84 Standard Test Method for Ash in Wood [15] e ASTM E1534 93 Standard Test Method Ash Content of Particulate Wood Fuels [16]. O teste é realizado após a determinação dos voláteis, onde as amostras são colocadas na mufla e devem ser aquecidas lentamente até 590±10 ºC. A amostra deve permanecer na mufla por 30 minutos e após colocada em dissecador para resfriar e pesar. Novos testes devem ser feitos por períodos de 30min e, após pesagem, a diferença deve ser inferior a 0,2 mg. Determinação do Carbono Fixo A determinação do carbono fixo é então calculada pela diferença entre a soma dos teores (%) de umidade, matéria volátil e cinzas e 100 %, com a massa do material original. E. Determinação do poder calorífico da biomassa O poder calorífico da serragem foi determinado por ensaio em bomba calorimétrica e seguiu a norma ASTM E711-87 Standard Test Method for Gross Calorific Value of Refuse-Derived Fuel by the Bomb

Calorimeter1 (Reaproved - 2004) [17]. O poder calorífico também pode ser calculado através de equações empíricas quando não há a disponibilidade de realização de ensaio e desde que conhecida a composição elementar do combustível. A bomba calorimétrica [18] é utilizada para medir o calor liberado durante a combustão do combustível em atmosfera oxidante. Essa técnica determina o poder calorífico superior a volume constante. F. Determinação do poder calorífico do gás produzido O poder calorífico de combustíveis gasosos segue a lei de Dalton em que o valor total é o somatório das parciais de cada componente. [19]. Também podemos utilizar a equação de Dulong-Petit para determinar o poder calorífico do gás produzido baseando-se na apenas na concentração em massa de cada componente encontrado através de ensaio de cromatografia gasosa [20]. G. Análise elementar A análise elementar fornece os teores de elementos orgânicos, carbono, nitrogênio, hidrogênio e enxofre. O ensaio é destrutivo e a análise realizada com os gases provenientes da pirólise da amostra. Neste trabalho, os resultados das análises elementares foram obtidos através do equipamento Perkin Elmer CHN-2400, com precisão 0,2 %, realizadas na Central Analítica do Instituto de Química da USP. IV. O REATOR O reator é do tipo leito fluidizado apresentado na figura 2. É constituído de coluna de reação tubular cilíndrica de aço inoxidável AISI 310 com 2 metros de comprimento e 3 mm de espessura. Externamente possui revestimento com uma camada de 150 mm de manta refratária KAWOOL e proteção mecânica em chapa plissada em alumínio. O diâmetro interno do reator é de 200 mm. O fundo da coluna de reação é uma placa perfurada para a injeção do ar de fluidização. Essa placa distribuidora de ar é composta por 39 tuyers, distribuídos em toda a seção transversal da placa onde cada tuyer possui 4 orifícios de saída do ar de 2 mm. [21]. O sistema de aquecimento localiza-se na parte inferior do corpo do reator e emprega o GLP como combustível. É um tubo cilíndrico revestido interiormente com cimento refratário e possui sensor ótico de chama para corte da alimentação do GLP. A alimentação de serragem é feita através de um conjunto composto por um silo de armazenagem com capacidade de 1 m 3. Abaixo do silo há uma válvula rotativa do tipo eclusa que dosa a quantidade de combustível e um transportador rosca sem-fim com passo constante e Ø 55 mm tem a função de introduzir a serragem no leito. Os motores do alimentador e da válvula dosadora são controlados por inversor de frequência Marca WEG, modelo CFW-10. Figura 2 Reator de gaseificação em leito fluidizado. Fonte: Acervo do autor. V. ENSAIO DE GASEIFICAÇÃO Os ensaios de gaseificação foram realizados no Laboratório de Combustão e Gaseificação do Departamento de Engenharia Térmica e de Fluídos da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP. A coleta de serragem foi realizada na empresa R&R Embalagens da cidade de Campinas SP. O abastecimento do silo de alimentação é feito de maneira manual, e depois o mesmo é selado para manter a pressão e temperatura do processo. O reator é pré-aquecido a até 750 ºC com gás liquefeito de petróleo e a alimentação da biomassa se dá de maneira lenta até que se alcance autossuficiência na manutenção da temperatura do reator. Após a temperatura no reator estabilizar através da combustão da biomassa, a alimentação do GLP é interrompida e o reator fica operando em combustão por um período de 30minutos, quando a partir desse momento é iniciado o processo de gaseificação. A partir de 30 minutos de gaseificação a temperatura do reator é estabilizada e assim inicia-se a coleta do gás para medição dos componentes gasosos. As variáveis do resultado geral do processo [18] são: o Poder Calorífico Inferior (PCI) e a composição do gás produzido (% H 2% CO, % CH 4, % CO 2, % N 2). Os teores do gás produzido são determinados a partir de cromatografia gasosa, em um cromatógrafo G-CROM modelo CG-90. As variáveis de influência são altura do leito, fator de ar e a temperatura do leito. A altura do leito de inerte será mantida fixa em 500 mm, pois conforme Sánchez [1], após uma série de experimentos variando a altura do leito entre 280 mm e 570 mm, obteve-se como maior variante o arraste de cinzas e para as demais variáveis do processo insignificantes alterações de resultados. A variação do fator de ar foi entre 0,30 e 0,50. Os melhores resultados obtidos em Pinto [22] para a produção de monóxido de carbono ocorrem na faixa de fator de ar que varia entre 0,3 e 0,6. Já Fernandes [23] o melhor PCI encontrado na gaseificação de casca de arroz foi com fator de ar de 0,35. Em Sánchez [18], com um fator de ar de 0,25, obteve-se os melhores rendimentos

na produção de CO, H 2 e CH 4 gaseificando serragem de eucalipto. VI. RESULTADOS Após os ensaios de análise imediata, seguindo as normas ASTM, os valores encontrados comprovam que a serragem de pinus apresenta bom desempenho energético para diversas aplicações de conversão termoquímicas existentes. A Tabela 2 apresenta os valores determinados na análise imediata. Tabela 2 Análise imediata e poder calorífico do pinus. Análise Pinus Umidade (B.U.%) 8,62 ± 0,58 Análise Imediata (B.S. %) Carbono Fixo 9,93 ± 0,69 Voláteis 88,69 ± 0,66 Cinzas 0,38 ± 0,66 Poder Calorífico Inferior [MJ/kg] 17,19 Na análise elementar da serragem de pinus foram determinando os teores de Carbono, Hidrogênio, Nitrogênio e Oxigênio. O valor do oxigênio é determinado por diferença descontando as cinzas. Os resultados estão apresentados na Tabela 3. Tabela 3 Análise elementar da serragem de pinus Componente Pinus Carbono 47,66 ± 0,2% Hidrogênio 6,44 ± 0,2% Nitrogênio 0,14 ± 0,2% Oxigênio 45,47 ± 0,2% A partir destas informações foram escolhidos os ensaios de gaseificação com fatores de ar 0,3 e 0,5. Os ensaios de gaseificação apresentam os resultados conforme Tabela 4. Segundo as informações de Brito [5] temos que 12 % da madeira de pinus produzida é transformada em serragem, a produtividade média de pinus no Brasil é de 30 m³.(ha.ano) -1 [24] e o pinus tem uma massa específica de 400 kg.m -3 [25]. Em seu trabalho, Muraro [26] utilizou um motor de combustão alimentado com gás de gaseificação de casca de arroz. Produziu um gás com um PCI de 4,24 MJ.Nm -3 e conseguiu obter 40,7 kw de potência de eixo no motor em uma relação de 9,59 kw. Nm³.MJ. -1 Tabela 4 Resultados da gaseificação. Fator de Ar Teórico 0,3 0,5 Vazão de Ar kg/h 26,16 ± 1,82 35,36 ± 0,48 Vazão de Combustível kg/h 25,77 ± 2,70 22,10 ± 0,04 FA real 0,32 ± 0,01 0,51 ± 0,01 Análise do Gás Produzido Teor de H 2 % 3,68 ± 0,30 2,23 ± 0,46 Teor de O 2 % 1,89 ± 1,69 0,00 ± 0,00 Teor de N 2 % 62,74 ± 5,12 76,54 ± 3,59 Teor de CH 4 % 3,49 ± 0,40 1,45 ± 0,07 Teor de CO % 15,74 ± 1,75 9,32 ± 1,60 Teor de CO 2 % 12,46 ± 1,01 10,45 ± 2,48 MJ/ PCI do gás Nm -3 3,63 ± 0,40 1,93 ± 0,15 η gaseificador % 37,11 ± 3,17 26,11 ± 1,37 A partir desses valores e do PCI do gás obtido durantes os experimentos realizados com fator de ar 0,3, estima-se que esse mesmo motor ao utilizar o gás produzido atinja uma potência de eixo na ordem de 34,8 kw. Através do catálogo do fabricante STEMAC [27], um conjunto motogerador com a potência de eixo citada, entrega uma potência elétrica de 38 kva a 50 Hz. O consumo de serragem de pinus no reator para produção desse gás foi de 25,77 kg.hora -1. A partir da produção de serragem por hectare de pinus plantado, afirma-se que cada hectare pode suprir o funcionamento do motor por um período de aproximadamente 56 horas. VII. CONCLUSÕES Com os resultados obtidos neste trabalho, conclui-se que há um grande potencial a ser explorado na serragem e que habitualmente não é destinado à geração de energia. Devido ao seu poder calorifico superior, 18,56 MJ.kg -1 o Pinus é uma biomassa atrativa para a aplicação em gaseificação. Além do uso em motogeradores como mencionado neste trabalho, o gás produzido pode substituir uma parcela de combustível original de sistemas de combustão operando em cofiring. O valor do PCI do gás obtido para o fator de ar 0,30 produz um gás combustível com poder calorífico suficiente para ser utilizado em motor de combustão interna, necessitando de limpeza de particulados e de alcatrão. REFERÊNCIAS [1] SANCHEZ, C. G. (org.). Tecnologia da gaseificação da biomassa. Campinas, SP: Editora Átomo, 2010. [2] BRACELPA, 2015, http://www.bracelpa.org.br/bra2/sites/default/files/ estatisticas/booklet.pdf. Acesso em 26 de março de 2015.

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