Tecnologia e Estado da Arte da Gaseificação de Biomassa,Universidade do Amazonas, Manaus, 8 e 9 de abril de 2002

Gaseificação de Biomassa -Histórico e Conceitos

Básicos

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Leito Fluidizado 100 kg/h de Biomassa

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Gaseificação, um novo processo?

“Os princípios básicos da gaseificação de biomassa são conhecidos desde o final do século XVIII. As primeiras aplicações comerciais foram registradas em 1830. Em 1850, grande parte da cidade de Londres era iluminada com gás e a indústria então estabelecida cresceu usando gaseificadores para produzir gás, principalmente de carvão mineral e madeira. Em 1881, pela primeira vez o gás de gaseificação foi usado para acionar um motor de combustão interna. Nos anos de 1920 várias demonstrações de aplicações estacionárias, caminhões, tratores e automóveis aconteceram na Europa e outras partes, mas foram aos poucos abandonadas.

Durante a Segunda Guerra Mundial os gaseificadores de biomassa para a geração de eletricidade reapareceram com força na Europa, Ásia, América Latina e Austrália, devido a escassez de petróleo. Apenas na Europa cerca de um milhão de veículos eram acionados por gaseificadores naquela época usando carvão vegetal ou madeira. Com o fim da guerra foram todos abandonados novamente.

As crises energéticas dos anos de 1970 e 1980 reacendem o interesse pela gaseificação de biomassa…”

Fonte: Stassen, H.E. (1995) Small-Scale Biomass Gasifiers for Heat and Power. A Global Review. World Bank Technical Paper Number 296, Energy Series.

O que é a biomassa?

�lenha, resíduos de serrarias e movelarias,�produtos da cana, álcool etílico, bagaço,�resíduos agro-pecuários, florestais,

industriais, casca de arroz, esterco,�carvão vegetal e briquetes,�óleos vegetais; palma, mamona, buriti,�resíduos urbano,�Lixivia, licor negro, casca de madeira, etc.

Constituintes da Biomassa• Celulose• Hemicelulose• Lignina• Extrativos• Minerais

Outras Formas de Analisar a Biomassa

Análise Elementar• C• H• O• N• S• Cl• Si, etc

Análise Imediata• Carbono fixo• Matéria volátil• Umidade• Teor de cinzas

Análise Elementar da Biomassa, % b.s.

C H N O Bagaço de cana 43,8 5,8 0,4 47,1 Fibra de coco 47,6 5,7 0,2 45,6 Casca de coco 50,2 5,7 0,0 43,4 Sabugo de milho 47,6 5,0 0,0 44,6 Pé de milho 41,9 5,3 0,0 46,0 Resíduo de algodão 42,7 6,0 0,1 49,5 Casca de amendoim 48,3 5,7 0,8 39,4 Casca de painço 42,7 6,0 0,1 33,0 Casca de arroz 38,9 5,1 0,6 32,0 Palha de arroz 36,9 5,0 0,4 37,9 Madeira (subabul) 48,2 5,9 0,0 45,1 Palha de trigo 47,5 5,4 0,1 35,8

Fonte: Fuel, 74(12), 1812-22, 1995

Análise Imediata, Poder Calorífico Superior e Massa

Específica da Biomassa, % b.s.

Fonte: Fuel, 74(12), 1812-22, 1995

Cinzas Voláteis PCS (MJ.kg-1) Massa específica (kg.m-3)

Bagaço de cana 2,9 84,2 16,29 111 Fibra de coco 0,9 82,8 14,67 151 Casca de coco 0,7 80,2 20,50 661 Sabugo de milho 2,8 85,4 15,65 188 Pé de milho 6,8 80,1 16,54 129 Resíduo de algodão 5,4 88,0 17,48 109 Casca de amendoim 5,9 83,0 18,65 299 Casca de painço 18,1 80,7 17,48 201 Casca de arroz 23,5 81,6 15,29 617 Palha de arroz 19,8 80,2 16,78 259 Madeira (subabul) 0,9 85,6 19,78 259 Palha de trigo 11,2 83,9 17,99 222

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Celulose Hemicelulose Lignina Extrativos Bagaço de cana 41,3 22,6 18,3 13,7 Fibra de coco 47,7 25,9 17,8 6,8 Casca de coco 36,3 25,1 28,7 8,3 Sabugo de milho 40,3 28,7 16,6 15,4 Pé de milho 42,7 23,6 17,5 9,8 Resíduo de algodão 77,8 16,0 0,0 1,1 Casca de amendoim 35,7 18,7 30,2 10,3 Casca de painço 33,3 26,9 14,0 10,8 Casca de arroz 31,3 24,3 14,3 8,4 Palha de arroz 37,0 22,7 13,6 13,1 Madeira (subabul) 39,8 24,0 24,7 9,7 Palha de trigo 30,5 28,9 16,4 13,4

Fonte: Fuel, 74(12), 1812-22, 1995

Composição das Cinzas da Biomassa, ppm b.s.

Si Ca K Na Mg Al Mn Fe P SBagaço de cana 17.340 1.518 2.682 93 6.261 - 9 125 284 60Fibra de coco 2.990 477 2.438 1.758 532 148 4 187 47 64Casca de coco 256 1.501 1.965 1.243 389 73 1 115 94 35Sabugo de milho 9.857 182 9.366 141 1.693 - 19 24 445 15Pé de milho 13.400 4.686 32 6.463 5.924 1.911 12 518 2.127 564Resíduo de algodão 13.000 3.737 7.094 1.298 4.924 - 38 5746 736 58Casca de amendoim 10.960 12.970 17.690 467 3.547 3.642 44 1.092 278 299Casca de painço 150.840 6.255 3.860 1.427 11.140 - 38 1.020 1.267 317Casca de arroz 220.690 1.793 9.061 132 1.612 - 108 533 337 163Palha de arroz 174.510 4.772 5.402 5.106 6.283 - 463 205 752 221Madeira (subabul) 195 6.025 614 92 1.170 - 2 614 100 66Palha de trigo 44.440 7.666 28.930 7.861 4.329 2.455 25 132 214 787

Fonte: Fuel, 74(12), 1812-22, 1995

Gaseificação de biomassaé um processo no qual o

combustível sólido é fragmentado com o uso de calor

numa atmosfera com pouco oxigênio para a geração de uma mistura de gases combustível.

Processos de ConversProcessos de Conversãoãode Biomassade Biomassa

• Combustão• Gaseificação• Pirólise

(Carbonização)• Liquefação• Torrefação

• Fermentação• Hidrólise• Biodigestão• Digestão• Extração de

Óleos (Físico)

Processos Termoquímicos e Produtos

Pirólise

Liquefação

Gaseificação

Combustão

Carvão

Bio-óleo

Água

Gás MPC*

Gás BPC*

Calor

Misturador

Transformação

Turbina

Síntese

Gerador

Síntese

Caldeira

Emulsões

Gasollina +Diesel

Metanol

Álcool

Potência

Amônia

*MPC e BPC significam Médio e Baixo Poder Calorífico, respectivamente.

Tecnologias deConversão

ProdutosPrimários

Tecnologias deProcessamento

ProdutosSecundários

Rendimentos (% b.s.)Líquido

(%)Sólido

(%)Gás(%)

PiróliseRápida

Temperatura moderada,curto tempo deresidência dos vapores

75 12 13

Carbonização Baixa temperatura,tempo de residêncialongo

30 35 35

Gaseificação Alta temperatura,tempo de residêncialongo

5 10 85

Fonte: WRE, 4(1) 2001

Reações de Gaseificação de Biomassa

Zona de oxidação• C + O2 ↔ C O2 + 401,9 kJ/mol

• H + � O2 ↔ H2O + 241,1 kJ/mol

Zona de Redução• C + CO2 + 164,9 kJ/mol ↔ 2 CO

• C + H2O +122,6 kJ/mol ↔ CO + H2

• CO2 + H2 + 42,3 kJ/mol ↔ CO +H2O

• C + 2H2 ↔ CH4 + 87,0 kJ/mol

• CO+3H2 ↔ CH4+H2O + 205,9 kJ/mol

Severidade da Pirólise e seus produtos (Milne & Evans, 1987)

Modelo dos Fenômenos Físicos da Gaseificação

Modelo de Partícula Porosa

1. Difusão dos reagentes através do filme estacionário que envolve a superfície externa da partícula,

2. Difusão do gás e reagente no poro em direção ao centro da partícula,

3. Adsorção, reação na superfície e desorção na parede do sólido,

4. Difusão do produto de reação para fora do poro,

5. Difusão do produto de reação através do filme estacionário.

Características da MatériaCaracterísticas da Matéria--prima para prima para Vários tipos de GaseificadoresVários tipos de Gaseificadores

Gasifier Type Downdraft (co-corrent)

Updraft (counter-corrent)

Open-core (rice husk)

Cross-draft (charcoal)

Size (mm) 20-100 5-100 1-3 40-80

Moisture (% w.b)

< 15-20 < 50 < 12 < 7

Ash (% d.b) < 5 < 15 Approx. 20 < 6

Morphology uniform Reasonable uniform

uniform uniform

Bulk density (kg/m3)

> 500 > 400 > 100 > 400

Ash melting point (°C)

> 1250 > 1250 > 1000 > 1250

Composição típica dos gases para diferentes combustíveis e tipos de

gaseificadoresTipo de gaseificador Umidade (% bu)

Contra-corrente Madeira (10-20%)

Concorrente Madeira (10-20%)

Fluxo cruzado Carvão vegetal (5-10%)

Hidrogênio Monóxido de carbono

8-14 20-30

12-20 15-22

5-10 20-30

Metano Dióxido de carbono

2-3 5-10

1-3 8-15

0,5-2 2-8

Nitrogênio Oxigênio

45-55 1-3

45-55 1-3

55-60 1-3

Umidade no gás (Nm3 água/Nm3 gás seco)

0,20-0,30

0,06-0,12

< 0,3

Alcatrão no gás (g/Nm3 gás seco)

2-10

0,1-3

< 0,3

Poder calorífico inferior (MJ/Nm3 gás seco) Temperatura de saída (0C)

5,3-6,0 200-400

4,5-5,5 700

4,0-5,2

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Rendimento de alcatrão x Temperatura (Baker et al. 1988)

Proposta de Maturação do Alcatrão (Elliott, 1988)

Updraft and Downdraft Gasifiers Tar MBMS,

(Reed et al. 1986)

Composição do alcatrão de gaseificação de biomassa a 780°C, pressão atmosférica, (Bangala et al. 1997)

Componentes do Alcatrão de Biomassa (Elliott, 1988)

Pirólise FlashConvencional(450°C - 500°C)

Pirólise Flash AltaTemperatura(600°C - 650°C)

GaseificaçãoConvencional com Vapor(700°C - 800°C)

Gaseificação a AltaTemperatura com Vapor(900°C - 1000°C)

ÁcidosAldeídosCetonasFuranosÁlcooisCompostos oxigenadoscomplexosFenóisGuaiacóisSiringisFenóis complexos

BenzenosFenóisCatecóisNaftalenosBifenisFenantrenosBenzofuranosBenzaldeídos

NaftalenosAcenaftilenosFluorenosFenantrenosBenzaldeídosFenóisNaftofuranosBenzantracenos

NafetalenoAcenaftilenoFenantrenoFluorenoPirenoAcefnantrilenoBenzaltracenosBenzopirenosPAR PM 226PAR PM 276

Aspectos Relevantes na Comercialização de Tecnologias de Gaseificação de Biomassa

• Confiabilidade e Manutenção• A qualidade do produto deve satisfazer as especificações do

cliente• Aderência a legislação no que diz respeito a responsabilidade do

fabricante, a segurança e a saúde• Aderência do sistema e seus componentes aos padrões

internacionais • O sistema deve ser vantajoso para o fabricante e para o usuário

do ponto de vista dos custos• Os sistemas de gaseificação devem ser bem projetados e

documentados e o pessoal envolvido deve ser bem treinado para projetar, desenvolver, instalar, dar partida e operar o sistema

Tecnologias de Limpeza de Gases

Fluxograma de Gaseificação de Biomassa com Aplicação em

Cogeração

Fonte:www.gasnet.co.uk

Outras Aplicações da Gaseificação de Biomassa

• Produção de gás de síntese para uso em Síntese Fischer-Tropsch,

CO + H2 + N2 HC + H2O + N2 + CO2

• Produção de H2 para alimentar célula de combustível

• Produção de metanol

“O trabalho necessário para operar uma planta de gaseificação é consideravelmente diferente daquele necessário para operar um motor diesel. Esta diferença é qualitativa e quantitativa. Durante a operação, o operador de um gaseificador deve freqüentemente verificar vários medidores de temperatura e pressão e com base nessas informações tomar decisões tais como: adicionar novo combustível, mover a grelha, limpar os filtros e ajustar válvulas. No final de sua jornada diária, o operador deve normalmente limpar o reator e filtros removendo as cinzas e outras partículas. Finalmente, ele também deve preparar o combustível e fazer o controle de qualidade. Assim, ao contrário de operadores de motores diesel, que podem realizar outras tarefas não relacionadas diretamente com o sistema, o operador de um sistema de gaseificação de pequena escala é uma função de tempo integral.”

Stassen, H. E., 1995

Custos para Implantação de Sistemas de Geração com

Gaseificadores de BiomassaComponentes Concorrente Contra-corrente

Investimentos Diretos Custos (ECU)

GaseificadorMulti cicloneCraqueador de alcatrãoTrocador de calorScrubber + demisterCompressorMotor a gás e gerador (2 @ 1 MW2)

470.00025.000

064.00064.00017.000

1.240.000

470.00025.000

129.00064.00064.00017.000

1.240.000

TOTAL 1.880.000 2.009.000

Fonte: Stassen & Knoef, 2001

Projetos InterrompidosLarga escala

• Maui, Hawaii, problemas com alimentação de bagaço;

• Biocycle, Dinamarca, cancelado pela concessionária;

• Projeto Minnesota (alfalfa), risco muito alto;

• Projeto Vega, Eskiltuna, Suécia, cancelado pela concessionária (1992);

• Projeto Norte da Holanda, problema com contratos de longa duração

Pequeno porte• Wamsler, Alemanha• DML, Alemanha• Marick International (Biomass

Engineering), Reino Unido• Arcus, Alemanha• Power Gasifiers, Reino Unido• Mega Limburg, Holanda• Easymod, Alemanha• Border Biofuels• etc.

Alguns desses projetos foram interrompidos devido a mudanças na política das companhias

Fabricantes de Sistemas de Gaseificação de Biomassa• EUA 14• Alemanha 11• R.U. 6• Suíça 4• Dinamarca 4• Áustria 3• Canadá 3• Finlândia 3• Itália 3• França 2• Suécia 2• Bélgica 1• Holanda 1

Tecnologias de Gaseificação

concorrente

contracorrente

leito fluidizado

outros

Fonte: www.gasifiers.org

Värnamo, Suécia• Leito fluidizado

circulante pressurizado (1,8 MPa), ar

• Matéria-prima: madeira, palha, etc.

• 6 MWe e 9 MWt

• 8.500 horas de operação (3.600 IGCC)

Vermont, EUA• Capacidade 200 t/dia• Gás 16,75 MJ/Nm3

• Matéria-prima: cavaco de madeira

• Tecnologia: leito fluidizado, vapor

• Temp. 700-750oC• > 7-8 MW

Esquema do processo Battelle-FERCO

Esquema do processo ARBRE

Tecnologias Concorrentes com a Gaseificação de Biomassa

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Obrigado!

Não percam amanhã!!!