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Estado da Arte da Gaseificação de Biomassa para Geração de
Eletricidade e Produção de Combustíveis
Dr. Rubenildo Vieira Andrade
ruben@unifei.edu.br
BIOMASSABIOMASSA
Compreende-se por biomassa todo materialorgânico de origem biológica e obtido a partir dafotossíntese, onde estão incluídos: a madeira,resíduos agrícolas, industriais e municipais,esterco de animais, a parte orgânica do lixo, entreoutros.
R d dRespondendo poraproximadamente 13 % do total deenergia primária consumida nomundo (SENGUPTA, 2002). Semanipulada adequadamente,fornece condições para odesenvolvimento sustentável. É degrande atratividade em áreasrurais onde há dificuldades de seobter outros tipos de insumosenergéticos.
Biomassa ConvencionalBiomassa Convencional
Está relacionada com a utilização da biomassapara cozinhar alimentos.
Biomassa ModernaBiomassa ModernaEstá relacionada com a utilização da biomassa, deforma sustentável, para produção de eletricidade ecombustíveis.
Energia Renovável2%
Biomassa moderna11%
Petróleo48%
Carvão7%
Núclear1%
Grandes hidrelétricas13%
Biomassa Tradicional (renovável)
9%
Biomassa Tradicional (não renovável)
3%
Gás Natural6%
Consumo de energia no Brasil
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Processos de Conversão da Biomassa
Bi
Combustão
Pirólise
Gaseificação
Biomassa
Extração de bio-óleos
BiodigestãoCombustão direta em motores
Transesterificação
FermentaçãoÁlcool
Diesel
Biodiesel
Geração de eletricidade
turbinas a gás
Motores de combustão interna
PCI (4 - 6 MJ/Nm³)
Ciclo a vapor
Ar (agente de gaseificação)
Misturas de vapor (agentede gaseificação)
Gaseificação
Produção de combustíveisPCI (9 - 19 MJ/Nm³)
Misturas de vapor (agentede gaseificação)
Células a Combustivel
Ciclo combinado
Fischer Tropsch
PCI (9 - 19 MJ/Nm³)
GASEIFICAÇÃOGASEIFICAÇÃO
* O processo no qual a matéria orgânica étransformada em gás através da queima, em umacondição de escassez de ar em relação a queimaestequiométrica, ou seja, o ar fornecido ao processodeverá ser menor do que aquele que garantiria adeverá ser menor do que aquele que garantiria aqueima completa do combustível.
* Conversão através da oxidação parcial, a elevadastemperaturas , de um elemento carbônico em umgás.
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PRESÃO
Pressurizados
Atmosféricos CLASSIFICAÇÃO DOS GASEIFICADORESCLASSIFICAÇÃO DOS GASEIFICADORES
CLASSIFICAÇÃO
LEITO
FixoConcorrente ContracorrenteFluxo cruzado
BorbulhanteCirculante
Fluidizado
GASEIFICADORES CONTRACORRENTEGASEIFICADORES CONTRACORRENTE“UPDRAFT”“UPDRAFT”
SimplicidadeAlta Eficiência Térmica Produção de gás com altos teores d l t ã
Gás
Zona de Pirólise
Zona de Secagem
Alimentação da Biomassa
Gás
Zona de Pirólise
Zona de Secagem
Alimentação da Biomassa
Zona de Pirólise
Zona de Secagem
Alimentação da Biomassa
de alcatrão
Fluxo de gás se movimentando em sentido contrario a biomassa
Ar
Zona de combustão
Zona de redução
Pirólise
CinzasAr
Zona de combustão
Zona de redução
Pirólise
CinzasAr
Zona de combustão
Zona de redução
Pirólise
Cinzas
GASEIFICADORES CONCORRENTEGASEIFICADORES CONCORRENTE“DOWNDRAFT”“DOWNDRAFT”
Características
Mais difundidosRelativamente livre de alcatrões
Alimentação de biomassa
Zona de
Gás
ArAr
Cinzas
Zona de redução
Zona de combustão
Zona de pirólise
secagem
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Gaseificador ImbertGaseificador Imbert
Características
Gás com características intermediáriasTaxa de fornecimento de ar maiorRápida resposta a
Zona de
alimentação de biomassa
GASEIFICADOR DE FLUXO CRUZADOGASEIFICADOR DE FLUXO CRUZADO“CROSSFLOW”“CROSSFLOW”
variação de cargaSimplicidade de construçãoPeso reduzidoLimitação quanto ao tipo de biomassa a ser utilizadaSensibilidade a umidade do combustível
Ar Gás
Zona de secagem
Zona de
Pirólise
Cinzas
Z C ZR
Gaseificador em Leito Fluidizado BorbulhanteGaseificador em Leito Fluidizado Borbulhante
Características
As partículas arrastadas não recirculam;É alimentado diretamente na zona
GásGás
do leitoTrabalham com velocidades menores que o de arraste pneumático.
Alimentação de Biomassa
Ar
Coleta de cinzas
Alimentação de Biomassa
Ar
Coleta de cinzas
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Gaseificador em Leito Fluidizado CirculanteGaseificador em Leito Fluidizado Circulante
Características
As partículas sólidas são re-circuladas;
Opera próximo ao regime de
GásGás
arraste pneumático;
Maior conversão de carbono, pelo maior tempo de residência das partículas;
Mais eficiente com maior capacidade específica kg/m³hArAr
Gás
Ar
Zona de combustão
Zona de redução
Zona de Pirólise
Zona de Secagem
Alimentação da Biomassa
Cinzas
Gás
Ar
Zona de combustão
Zona de redução
Zona de Pirólise
Zona de Secagem
Alimentação da Biomassa
CinzasAr
Zona de combustão
Zona de redução
Zona de Pirólise
Zona de Secagem
Alimentação da Biomassa
Cinzas
Alimentação de biomassa
Saída do gás
Entrada de ar
Grelha
Gás
ArAr
Alimentação de biomassa
Cinzas
Zona de redução
Zona de combustão
Zona de pirólise
Zona de secagem
Alimentação de biomassa
Entrada de ar
Saída do gás
Grelha
Garganta Anel de
distribuição de ar
Tipos de gaseificadoresTipos de gaseificadores
CinzasCinzasCinzas
Retirada das cinzas
Retirada das cinzas
Gás
Ar
Ar Gás
Zona de secagem
Zona de
Pirólise
Cinzas
Z C ZR
alimentação de biomassa
ZC – Zona de combustão
ZR – Zona de redução
Alimentação de biomassa
Saída do gás
Ar para resfriamento da
grelha
Grelha
Retirada das cinzas
Entrada do ar
Definição de alcatrão
Segundo o McKendry (2002) e Abatzoglou (2000) o alcatrão pode ser definidocomo um conjunto de compostos de elevado peso molecular, maior que obenzeno (C6H6, 78 g/mol) (Simell, 200), presentes no gás da gaseificação. Elecomeça a condensar a temperaturas inferiores a 450 °C. O tipo de biomassaé responsável, em grande parte, pela determinação da natureza do alcatrãoproduzido, que também é definido pelo processo de gaseificação e pelacondição 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
Teor de alcatrão
Down draft 15 – 500 mg/Nm³
Up draft 30 – 150 g/Nm³
Leito fluidizado < 5 g/Nm³
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Tabela 1.19 - Qualidade do gás requerida para geradores de potência (Hasler, 1999)
Equipamento de geração de potênciaParticulados [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 funcionesatisfatoriamente com gás de biomassa, esse gás deve conter valoresmenores que 50 mg/Nm³ de particulados e valores do teor de alcatrõesmenores que 100 mg/Nm³.
Os motores de combustão interna possuem restrições à qualidade do gás quepode ser usado como combustível de forma a manter um funcionamentosatisfatório. Para o teor de alcatrão, valores menores que 500 mg/Nm3são aceitáveis sendo preferível valores menores que 100 mg/Nm3 e parao de particulado, valores menores que 50 mg/Nm3 são aceitáveis emenores que 5 mg/Nm3 são preferíveis (Quaak, 1999).
Gás sem tratamento
Craqueamento Catalítico
Biomassa
Gaseificador
Lavadores
Motor Stirling
CogeraçãoCélula combustível
MCITurbina a gás
Caldeira
Calor
Eletricidade
Craqueamento em leito catalítico
Gás limpo
Termo craqueamento
Reforma
"Shift"Sintese
Conversão
Metano
Amônia
GasolinaMetanol
Álcool
Figura 1.34 Processo de tratamento e utilização do gás de biomassa (adaptado de Belgiorno, 2003).
particuladoAr/Vapor/O2
Biomassa
Conversão do
alcatrão
GaseificadorGás limpo
Limpeza do gás
Aplicação
N, S, compostos halogênios
Figura 1.37 – Diagrama da conversão de alcatrão pelo método primário Devi (2003).
Limpeza do gás
Limpeza posterior ao reator
(Alcatrão, particulado,N, S, compostos halogênios)
Remoção do alcatrão
Ar/Vapor/O2
Biomassa
+ Alcatrão
GásGaseificador
Gás livre de alcatrão
Aplicação
Figura 1.38 - Diagrama da conversão do alcatrão por métodos secundários Devi (2003).
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Gaseificação em duplo estágio
FATORESFATORES QUEQUE INFLUENCIAMINFLUENCIAM NANA OPERAÇÃOOPERAÇÃO EEQUALIDADEQUALIDADE DODO GASGAS GERADOGERADO.
Características da BiomassaComposição elementarPoder caloríficoGranulometriaUmidade
Agente de gaseificaçãoArOxigênioVapor
Temperatura e pressão de operação
Vazão, velocidade do agente de gaseificação
Vazão da biomassa
O gás produzido é composto basicamente de:
CO – monóxido de carbono;H2 - HidrogênioCO2 – dióxido de carbono;CH4 – metano;H2O – vapor de água;N2 – nitrogênioContaminantes: alcatrão e particulado.
A gaseificação envolve uma numerosa seqüência de reaçõesparalelas, onde a maioria dessas reações são endotérmicas edevem ser mantidas pela combustão parcial do gás gerado ou porfornecimento de calor externo.
SECAGEM PIRÓLISE OXIDAÇÃO REDUÇÃO
PROCESSO DE GASEIFICAÇÃO
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As reações que ocorrem no gaseificador, podem ser resumidas comoindicadas 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
COOC 2
1H = - 111 kJ/mol COOC 22
H 111 kJ/mol
Oxidação completa 22 COOC H = - 394 kJ/mol
Reação gás-água É a oxidação parcial do carbono pelo vapor, que pode ser fornecido de diferentesformas inclusive da própria umidade da biomassa. O vapor reage com o carbono atravésda seguinte equação: 22 HCOOHC H = + 131 kJ/mol
Reação Bourdouard COCOC 22 H = + 172 kJ/mol Reação de formação do metano
422 CHHC H = - 75 kJ/mol
Reações Homogêneas (fase gasosa) Reação gás-água shift 222 HCOOHCO H = - 41 kJ/mol 222
Reação de formação do metano
OHCHHCO 2423 H = +206 kJ/mol
Tipos de agente de gaseificação:
ArVaporVapor+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.
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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
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http://renet.at/english/sites/guessing.php
Gaseificação e motores de combustão interna
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Gaseificação e ciclo combinado
Definição de gás de sínteseGás 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
GaseificaçãoGaseificação
Limpeza e condicionamento do gás(remoção de alcatrão, impurezas e particulado, reforma)
Gás de sintese
FT (Sintese decombustivel)
Sintese de combustivel(Metanol)
Sintese de combustivel(DME)
Metanização Conversão de COShift
FTHidrocarbonos Metanol DME Gás Natural Sintético Hidrogênio
Líquidos Gasosos
Biomassa
Gaseificação direta ( auto-térmica)
Gaseificação em leito fixo Gaseificador Lurgi
Gaseificação em leito fluidizado (vapor + oxigênio)
Värnamo
Gaseificação em leito
Opções de Tecnologias de Gaseificação para Produção de Gás de Síntese
Gaseificação em leito arrastado
Gaseificação indireta (alotérmica)
Gaseificação em leito fluidizado (vapor)
(Güssing)
Pirólise Gaseificação em leito arrastado
Tecnologia Choren
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(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
Fischer Tropsch sintese
Fischer Tropsch baixatemperatura ︵co, fe ︶
graxas ︵>C20 ︶
Hidrogenação
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.
Biomassa Gaseificação Condicionamento elimpeza do gás
temperatura ︵co, fe ︶
Fischer Tropsch altatemperatura ︵Fe ︶
olefinas
Diesel
Gasolina
︵C3 - C11 ︶
Hidrogenação
Hidrogenação
Tipos de reatores Fischer-Tropsch
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GASEIFICADOR EM LEITO FLUIDIZADOGASEIFICADOR EM LEITO FLUIDIZADO
Princípio de Princípio de FuncionamentoFuncionamento
Nesse tipo de gaseificador ocombustível é introduzido em umleito aquecido (areia,alumina), quedeverá estar em estado de
ã fl idi ã O l itsuspensão ou fluidização. O leito secomporta mais ou menos como umfluido e é caracterizado por altaturbulência devido a isso ocombustível se mistura rapidamentecom o material do leito.
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SISTEMAS COMPONENTES
Sistema de alimentação de biomassaSilo inferior e superior de biomassa;Válvula rotativa;Rosca transportadora e de alimentação.
Sistema de limpeza do gás
Ciclone;Torre de lavagem dos gases;Separadores;
Detalhamento do gaseificador em leito fluidizadoDetalhamento do gaseificador em leito fluidizado
Separadores;Lavador Venturi.
Sistema de partidaQueimador a GLP;Tanque de GLP;Sistema de regulagem.
Sistema de aquisição de dadosPlaca de aquisição;Transdutores;Computador.
Sistema de análise de gasesSistema de lavagem;Condicionador de amostra gasosa;Analisadores contínuos.
ReatorLeito;Freeboard.
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Entrada
Isolante
Ciclone
Termopar
Saídade gás
Diagrama da configuração atualDiagrama da configuração atual
Freeboard
Leito
PlenumSilo de
alimentação secundário
Alimentação de
Biomassa
Motor
Vávula Rotativa
Combustívelpara o
queimador
Queimador
Saídade água de
resfriamento
Variador de velocidade
Transportadora helicoidal
Ar
Rosca de
alimentação principal
Bicos Injetores
Silo de alimentação
principal
Entradade água de
resfriamento
Aquisiçãode
Dados
Coletor de
Cinzas
Sinal de 4 a 20 mA
• Três tipos de Biomassa– Casca de arroz,
• Não houve necessidade de tratamento
– Serragem• Secagem
Tratamento da biomassaTratamento da biomassa
• Secagem
– Bagaço de cana• Secagem, trituração
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Tratamento da biomassaTratamento da biomassa
2.4 H2
Analisador Hydros 100
4.5
Amostra gasosa
Filtro
Sistema de análise de gasesSistema de análise de gases
185.2
CO
CH4
Analisador Binos 100
Rotâmetro
Regulador de Pressão
Amostrador e Condicionador de Amostra Gasosa
Sistema de análise de gasesSistema de análise de gases
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Entrada da Água de Resfriamento
Entrada da Amostra de Gás
Nível da
Filtro
Amostra de Gás Limpa
Sistema de limpeza da amostra gasosaSistema de limpeza da amostra gasosa
Entrada da Água de Resfriamento
da Água
Condensado e
partículas
Lavador
Análise de Alcatrão e ParticuladoAnálise de Alcatrão e Particulado
• Análise Gravimétrica
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
tura
[°C
]
T4
T3
TLeito1
Tleito2
T5
T6
T7
T8
B
PROCEDIMENTO DE PARTIDA DO GASEIFICADORPROCEDIMENTO DE PARTIDA DO GASEIFICADOR
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170
Tempo [min]
Tem
per
a
T9
T10
T12
T13
T14
T15
Tar
T11
A
C
18
Composição do gás de acordo com o fator de arComposição do gás de acordo com o fator de ar
14
16
18
20
CausasEscoamento pistonadoTempo de residênciaAltura de alimentação da biomassaAltura do leito utilizado
0
2
4
6
8
10
12
14
0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28
Fator de ar
%vo
l
CO CH4 H2
Poder calorífico do gás em função do fator de arPoder calorífico do gás em função do fator de ar
3,5
4
4,5
/Nm
³
2
2,5
3
0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28
Fator de ar
MJ/
19
Dados comparativosDados comparativos
ReferênciaTemperatur
a do leito
Tipo de biomassa
Tipo de gaseificador
Composição do gás [Vol.%]
CO CH4 H2
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 fixoGaseificação em leito fixo
• Gaseificador de fluxo cruzado
Alimentação de biomassa
Cavalete dosador
Chaminé
Ventilador ("booster")
Gaseificador de fluxo cruzado acoplado a MCIA Gaseificador de fluxo cruzado acoplado a MCIA
Entrada de ar
Ar de resfriamento
da grelha
Painel de sincronismo
Motogerador
dosadorResfriador
Reator Catalítico
Câmara de
combustão
Filtro
20
SISTEMA GASEIFICADOR/MOTOR DE SISTEMA GASEIFICADOR/MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA.COMBUSTÃO INTERNA.
Características:Características:
Motores a gasolinaMotores a gasolina
* Não é necessário fazer modificações* O ar e o combustível são misturados previamente e introduzido diretamente no carburador a proporção de 1:1proporção de 1:1* Podem operar somente com gás de biomassa
Motores dieselMotores diesel
* Não pode operar somente com gás* Substituição do diesel em até 90 %
OBS: OBS: A utilização do gás diminui o rendimento motor, aumenta a manutenção.
Bancada de testes do sistema de geração com gás de Bancada de testes do sistema de geração com gás de biomassabiomassa
Utilização do Gás de BiomassaUtilização do Gás de Biomassa
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Admissão do gás no motorAdmissão do gás no motor
Gráfico ComparativoGráfico Comparativo
Gaseificação com duplo estágio
22
Item Valor CO [%Vol.] 15 H2 [%Vol.] 15 CH4 [%Vol.] 1,5 PCI [MJ/Nm3] 4 Fator de ar 0,3 a 0,4