Principios da gaseificação de biomassa - conceitos básicos

principios da gaseificação de biomassa

1. 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

NIPE/UNICAMP

2. Leito Fluidizado 100 kg/h de
Biomassa

5. Gaseificação,
um novo
processo?

6. “Os princípios básicos da gaseificação de biomassa são conhecidosdesde 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 eautomóveis
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 cercade 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 GasifiersforHeat and Power. A GlobalReview.World Bank
Technical Paper Number296,EnergySeries.

7. 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.

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

9. 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

10. 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

11. 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

12.

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

13. Composição das Cinzas
da Biomassa, ppm b.s.
SiCaKNaMgAlMnFePS
Bagaço de cana17.3401.5182.682936.261-912528460 Fibra de coco2.9904772.4381.75853214841874764 Casca de coco2561.5011.9651.2433897311159435 Sabugo de milho9.8571829.3661411.693-192444515 Pé de milho13.4004.686326.4635.9241.911125182.127564 Resíduo de algodão13.0003.7377.0941.2984.924-38574673658 Casca de amendoim10.96012.97017.6904673.5473.642441.092278299 Casca de painço150.8406.2553.8601.42711.140-381.0201.267317 Casca de arroz220.6901.7939.0611321.612-108533337163 Palha de arroz174.5104.7725.4025.1066.283-463205752221 Madeira (subabul)1956.025614921.170-261410066 Palha de trigo44.4407.66628.9307.8614.3292.45525132214787
Fonte:Fuel, 74(12), 1812-22, 1995

14. Gaseificação de biomassa
é 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.

15. Processos de Convers Processos de Convers
ãoão
de Biomassa de Biomassa
•Combustão
•Gaseificação
•Pirólise
(Carbonização)
•Liquefação
•Torrefação
•Fermentação
•Hidrólise
•Biodigestão
•Digestão
•Extração de
Óleos (Físico)

16. 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 de
Conversão
Produtos Primários
Tecnologias de Processamento
Produtos
Secundários

17. Rendimentos (% b.s.)
Líquido
(%)
Sólido
(%)
Gás
(%)
Pirólise
Rápida
Temperatura moderada,
curto tempo de
residência dos vapores
751213 CarbonizaçãoBaixa temperatura,
tempo de residência
longo
303535 GaseificaçãoAlta temperatura,
tempo de residência
longo
51085
Fonte: WRE, 4(1) 2001

18. Reações de Gaseificação de Biomassa
Zona de oxidação
•C + O
2
«C O
2
+ 401,9kJ/mol
•H + O
2
«H
2
O + 241,1kJ/mol
Zona de Redução
•C + CO
2
+ 164,9kJ/mol«2 CO
•C + H
2
O+122,6kJ/mol «CO + H
2
•CO
2
+ H
2
+ 42,3kJ/mol «CO +H
2
O
•C + 2H
2
«CH
4
+ 87,0kJ/mol
•CO+3H
2
«CH
4
+H
2
O+ 205,9kJ/mol

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

20. 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.

21. Características da Matéria Características da Matéria
--
prima para prima para
Vários tipos de Gaseificadores Vários 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/m
3
)
> 500 > 400 > 100 > 400
Ash melting
point (°C)
> 1250 > 1250 > 1000 > 1250

22. Composição típica dos gases para
diferentes combustíveis e tipos de
gaseificadores
Tipo 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
(Nm
3
água/Nm
3
gás seco)

0,20-0,30

0,06-0,12

< 0,3
Alcatrão no gás
(g/Nm
3
gás seco)

2-10

0,1-3

< 0,3
Poder calorífico inferior
(MJ/Nm
3
gás seco)
Temperatura de saída (
0
C)

5,3-6,0
200-400

4,5-5,5
700

4,0-5,2

24. Rendimento de alcatrão x Temperatura
(Bakeretal. 1988)

25. Proposta de Maturação do Alcatrão
(Elliott, 1988)

27. Updraft and Downdraft Gasifiers TarMBMS,
(Reed etal. 1986)

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

29. Componentes do Alcatrão de Biomassa
(Elliott, 1988)
Pirólise Flash
Convencional
(450°C - 500°C)
Pirólise Flash Alta
Temperatura
(600°C - 650°C)
Gaseificação
Convencional com Vapor
(700°C - 800°C)
Gaseificação a Alta
Temperatura com Vapor
(900°C - 1000°C)
Ácidos
Aldeídos
Cetonas
Furanos
Álcoois
Compostos oxigenados
complexos
Fenóis
Guaiacóis
Siringis
Fenóis complexos
Benzenos
Fenóis
Catecóis
Naftalenos
Bifenis
Fenantrenos
Benzofuranos
Benzaldeídos
Naftalenos
Acenaftilenos
Fluorenos
Fenantrenos
Benzaldeídos
Fenóis
Naftofuranos
Benzantracenos
Nafetaleno
Acenaftileno
Fenantreno
Fluoreno
Pireno
Acefnantrileno
Benzaltracenos
Benzopirenos
PAR PM 226
PAR PM 276

30. 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

31. Tecnologias de Limpeza de Gases

32. Fluxograma de Gaseificação de
Biomassa com Aplicação em
Cogeração
Fonte:www.gasnet.co.uk

33. Outras Aplicações da Gaseificação de
Biomassa
•Produção de gás de síntese para uso em
Síntese Fischer-Tropsch,
CO + H
2
+ N
2
HC + H
2
O + N
2
+ CO
2
•Produção de H
2
para alimentar célula de
combustível
•Produção de metanol

34. “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

35. Custos para Implantação de
Sistemas de Geração com
Gaseificadores de Biomassa
ComponentesConcorrenteContra-corrente Investimentos DiretosCustos (ECU) Gaseificador
Multi ciclone
Craqueador de alcatrão
Trocador de calor
Scrubber + demister
Compressor
Motor a gás e gerador (2 @ 1 MW
2
)
470.000
25.000
0
64.000
64.000
17.000
1.240.000
470.000
25.000
129.000
64.000
64.000
17.000
1.240.000
TOTAL1.880.0002.009.000
Fonte:Stassen&Knoef, 2001

36. Projetos Interrompidos
Larga escala
•Maui, Hawaii, problemas
com alimentaçãode 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

37. Fabricantes de Sistemas de Gaseificação de Biomassa
•EUA14
•Alemanha11
•R.U.6
•Suíça4
•Dinamarca4
•Áustria3
•Canadá3
•Finlândia3
•Itália3
•França2
•Suécia2
•Bélgica1
•Holanda1
Tecnologias de Gaseificação
concorrente contracorrente leito fluidizado outros
Fonte: www.gasifiers.org

38. Värnamo, Suécia
•Leito fluidizado
circulante pressurizado
(1,8MPa), ar
•Matéria-prima: madeira,
palha, etc.
•6MW
e
e 9MW
t
•8.500 horas de operação
(3.600 IGCC)

39. Vermont, EUA
•Capacidade 200 t/dia
•Gás 16,75 MJ/Nm
3
•Matéria-prima:
cavaco de madeira
•Tecnologia: leito
fluidizado, vapor
•Temp. 700-750
o
C
•> 7-8 MW

40. Esquema do processoBattelle-FERCO

41. Esquema do processo ARBRE

42. Tecnologias Concorrentes com a
Gaseificação de Biomassa

43. Obrigado!
Não percam
amanhã!!!