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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.

9

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

10

http://renet.at/english/sites/guessing.php

Gaseificação e motores de combustão interna

11

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

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

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.

14

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.

15

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

21

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