( PDF ) Analise técnica - econômica de um gaseificador de biomassa de 100 kg/h para acionamento de um motor de combustão interna

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CHRISTIAN J. CORONADO RODRIGUEZ

ANALISE TÉCNICA – ECONÔMICA DE UM

GASEIFICADOR DE BIOMASSA DE 100 kg/h PARA

ACIONAMENTO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO

INTERNA

Dissertação apresentada à Faculdade de

Engenharia do Campus de Guaratinguetá,

Universidade Estadual Paulista, para a

obtenção do título de Mestre em Engenharia

Mecânica na área de Transmissão e

Conversão de Energia.

Orientador: Prof. Dr. José Luz Silveira

Guaratinguetá

2007

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DADOS CURRICULARES

CHRISTIAN J. CORONADO RODRIGUEZ

NASCIMENTO 10.06.1980 – AREQUIPA / PERU

FILIAÇÃO Julian Coronado LLerena

Maria Nilza Rodriguez de Coronado

1997/2002 Graduação em Engenharia Mecânica

Universidade Nacional de San Agustin, Arequipa -Perú

2003/2004 Estagiário – Dep. Manutenção Eletro-Mecânica

Sedapar S.A. Companhia de Saneamento básico da

cidade de Arequipa - Peru.

04-2005/09-2005 Bolsista (ALFA) – Dep. De Engenharia Química e

Tecnologias do Médio Ambiente. Universidade de

Zaragoza - Espanha

05-2005/08-2005 Curso de Especialização em Sistemas de Energias

Renováveis.

Centro de Pesquisa em Recursos e Consumos

Energéticos – Universidade de Zaragoza - Espanha

2004/2007 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica,

nível de Mestrado, na Faculdade de Engenharia do

Campus de Guaratinguetá da Universidade Estadual

Paulista. Brasil

À meus pais pelo carinho e incentivo para concretizar este trabalho e à minha irmã

pelo carinho, amizade e preocupação que tem por mim.

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar agradeço a Deus, fonte da vida e da graça. Agradeço pela

minha vida, minha família e meus amigos,

Ao meu orientador, Prof. Dr. José Luz Silveira que jamais deixou de me

incentivar, pela paciência e dedicação na conclusão deste trabalho.

Aos meus pais Julian e Nilza, que sempre incentivaram meus estudos.

Ao Prof. Dr. Jesus Arauzo da Universidade de Zaragoza (Unizar) pela

cooperação, amizade e acolhida durante minha estadia nessa faculdade e aos meus

amigos do Grupo de Processos Termoquimicos da Unizar: Maria Aznar, Gorka, Joan,

Alberto, Jose Luis, Javier e Maria Ayllon que de maneira direta e indireta contribuíram

no desenvolvimento deste trabalho.

Aos funcionários da Pós – graduação e professores do DEN que sempre foram

prestativos na execução deste trabalho, em especial às secretárias da pós-graduação

Regina, Elisa e Cristina e a secretaria do DEN, Luisa; pela dedicação e alegria no

atendimento.

Aos meus amigos da Moradia da Feg e moradores da República Socapincanela

pela amizade e acolhida neste maravilhoso país.

Este trabalho contou com apoio financeiro das seguintes entidades

- CAPES (BR) – Bolsa de nível mestrado.

- PROGRAMA ALFA (UE) – Bolsa de Estadia; Contrato N° II-0444-FA; Titulo

do projeto: Bioenergy, Rede; ALE: Thermochemical Conversion of Biomass

into energy and fuels.

Um homem é sábio, não por sua inteligência, mas sim pelas decisões que toma.

Anônimo

CORONADO, C. J. R. Analise Técnica – Econômica de um Gaseificador de

Biomassa de 100 kg/h para acionamento de um Motor de Combustão Interna.

2007. 195f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). – Faculdade de

Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista,

Guaratinguetá, 2007.

RESUMO

Após as crises do petróleo de 1973 e de 1979, notou-se um efeito nocivo dos

elevados custos e contínuo aumento dos preços do petróleo, razão pela qual aumentou

o interesse pelas fontes de energias renováveis, amplamente disponíveis nos países em

desenvolvimento. Em todo o mundo, tornaram-se objetivos prioritários de se

economizar energia e buscar tecnologias racionais, levando-se sempre em

consideração os efeitos relacionados ao meio ambiente. Por outro lado, a escassez

iminente dos combustíveis fósseis tem exigido da humanidade o uso racional de

energia primária e como conseqüência, novas plantas em versões tecnológicas mais

desenvolvidas têm sido concebidas visando sempre o aumento da eficiência

energética. Neste contexto, destacam-se as tecnologias de gaseificação de madeira, que

consistem em técnicas de conversão da biomassa em gás combustível. O objetivo

principal deste trabalho é o desenvolvimento e a demonstração de uma metodologia de

dimensionamento de um gaseificador de leito fixo tipo Downdraft para uma

alimentação de 100 kg/h de biomassa lignocelulósica. Avalia-se e escolhe-se os

diversos equipamentos e acessórios necessários para a limpeza e acondicionamento do

gás combustível para a alimentação de um motor de combustão interna. A análise

técnica inclui além dos parâmetros construtivos específicos do gaseificador, o balanço

de massa, de energia, e a determinação das eficiências, tanto para a eficiência a frio

como para a eficiência a quente do gaseificador. A análise econômica inclui uma

avaliação e obtenção dos custos tanto do gaseificador como do Motor de Combustão

Interna acoplado, os custos dos equipamentos e acessórios da zona de gaseificação, os

custos operacionais e os custos da instalação e amortização do projeto. Também é

realizado um estudo financeiro do projeto, obtendo três dos principais parâmetros para

a escolha final: Taxa Interna de Retorno (TIR), Valor Liquido Presente (VLP) e

payback (Retorno do investimento) considerando uma vida útil de 15 anos para o

gaseificador.

PALAVRAS CHAVE: Biomassa, gaseificador, motor, eficiência, economia.

CORONADO, C. J. R. Technical and Economical Analyses of a 100 kg/h

Biomass Gasifier for operation of a Internal Combustion Engine. 2007. 195f.

Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). – Faculdade de Engenharia do

Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2007.

ABSTRACT

After the oil crisis of 1973 and 1979, an effect of the increase costs and

continuously increment of the oil prices was noted. For this reason, the interest for

renewable energies sources widely available in developing countries was increased.

The governments have formulated main objectives for energy savings and search for

friendly technologies, taking into account the effects related with the environment. The

new plants with improved technology have been conceived always taking into account

energy savings and efficiency improvement. In this context, biomass gasification

technologies are important, since they consist in techniques of parallel production of

electricity and heat from just one fuel. The main objective of this work is to develop

and to demonstrate a scale up methodology for the construction of a bed fix downdraft

gasifier with a 100 kg/h supply using as raw material lignocelulosic biomass. It will be

evaluated and analytically chosen the necessary accessories and equipments for the

cleaning and preparation of the biomass fuel gas, then this gas will be used in a

internal combustion engine. The technical analysis includes in addition to the

constructive specifics parameters, the balance of mass, balance of energy and

determination of the efficiencies for thermal generation and power generation (hot

efficiencies or cold efficiencies, respectively. The economic analysis includes cost

evaluation of the gasifier, internal combustion engine, equipment and accessories of

the gasification zone, operational and installation and amortization of the project.

Finally, a financial study of project is made, obtaining three of the main parameters for

the final election: IRR, LPV and payback considering a life utility of 15 years for the

gasification installation

KEYWORDS: Biomass, gasifier, engine, efficiency, economy.

SUMARIO

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABELAS

ABREVIATURAS, SIGLAS E SIMBOLOS

1. INTRODUÇÃO………………………………………………………………….. 21

2. BIOMASSA: ASPECTOS GERAIS……………………………………………. 25

2.1. Introdução……………………………………………………………………….. 25

2.2. Situação atual da biomassa……………………………………………………… 26

2.3. Vantagens que apresenta o uso da biomassa……………………………………. 29

2.3.1. Vantagens ambientais…………………………………………………………. 29

2.3.2. Vantagens socioeconômicas………………………………………….……….. 30

2.4. Problemas que representam a sua utilização……………………………………. 30

2.5. Tipos de biomassa.……………………………………………………………… 31

2.6. Propriedades da biomassa………………………………………………………. 38

2.6.1. Conteúdo de umidade…………………………………………………………. 38

2.6.2. Poder calorífico………………………………………………………………... 38

2.6.3. Proporção de carvão fixos e voláteis………………………………………….. 39

2.6.4. Cinzas…………………………………………………………………………. 40

2.6.5. Metais alcalinos.................................................................................................. 40

2.7. Conversão da biomassa......................................................................................... 42

2.7.1. Conversão Termoquímica da biomassa.............................................................. 43

a. Combustão.................................................................................................................43

b. Pirólises..................................................................................................................... 44

c. Gaseificação.............................................................................................................. 49

3. TEORIA DA GASEIFICAÇÃO........................................................................... 51

3.1. Introdução.............................................................................................................. 51

3.2. Princípios básicos do processo.............................................................................. 51

3.3. Base química.......................................................................................................... 53

3.4. Produtos da gaseificação........................................................................................ 56

3.5. Aplicações do gás produto do processo de gaseificação........................................ 58

3.6. A evolução da gaseificação.................................................................................... 60

3.6.1. O caso do carvão................................................................................................. 61

3.6.2. O caso da biomassa............................................................................................. 62

3.7. Cenário futuro da gaseificação............................................................................... 68

3.8. Gaseificação de pequeno porte............................................................................... 69

4. TIPOS DE GASEIFICADORES........................................................................... 72

4.1. Gaseificadores de leito fixo.................................................................................... 73

4.1.1. Gaseificador Updraft........................................................................................... 73

4.1.2. Gaseificador Downdraft...................................................................................... 74

4.1.3. Gaseificador de tiro transversal........................................................................... 78

4.1.4. Operação e performance dos gaseificadores de leito fixo.................................. 79

4.2. Gaseificadores de leito fluidizado.......................................................................... 80

4.2.1. Leito fluidizado borbulhante............................................................................... 82

4.2.2. Leito fluidizado circulante.................................................................................. 83

4.3. Comparação entre os gaseificadores...................................................................... 83

4.4. Outros tipos de gaseificadores............................................................................... 85

5. LIMPEZA E ACONDICIONAMENTO DO GAS DE BIOMASSA

– ESTADO DA ARTE........................................................................................... 89

5.1. Considerações iniciais.......................................................................................... 89

5.2. Principais poluentes do gás de saída..................................................................... 89

5.2.1. Material particulado............................................................................................ 90

5.2.2. Componentes alcalinos....................................................................................... 90

5.2.3. Alcatrão presente na gaseificação....................................................................... 92

5.2.4. Poluentes de conteúdos nitrogenados..................................................................93

5.2.5. Enxofre................................................................................................................ 93

5.3. Tecnologias para a remoção de material particulado............................................. 95

5.3.1. Ciclones............................................................................................................... 95

5.3.2. Filtro de mangas.................................................................................................. 96

a. Filtros rígidos............................................................................................................ 97

b. Filtros de bolsa.......................................................................................................... 97

5.3.3. Purificadores eletrostáticos................................................................................. 99

5.3.4. Depuradores úmidos........................................................................................... 99

5.4. Tecnologias para remoção de alcatrões............................................................... 101

5.4.1. Depuradores úmidos (wet Scrubber)................................................................ 102

5.4.2. Filtro de barreira............................................................................................... 103

5.5. Catalise e destruição térmica do alcatrão.............................................................105

6. DIMENSIONAMENTO E FUNCIONAMENTO DO GASEIFICADOR...... 107

6.1. Fluxos produzidos em gaseificadores Downdfrat................................................ 107

6.2. Sistema de alimentação de biomassa

......................................................................... 108

6.3. Projeto do gaseificador Downdraft...................................................................... 111

6.3.1. Parâmetros específicos do projeto.................................................................... 115

6.3.2. Balanço de massa no gaseificador.................................................................... 117

7. EQUAÇÕES UTILIZADAS NO DIMENSIONAMENTO E

DETERMINAÇÃO DA EFICIÊNCIA DO GASEIFICADOR............................ 121

7.1. Dimensionamento do Gaseificador...................................................................... 121

7.2. Balanço de Energia.............................................................................................. 122

7.2.1. Calculo do gás de biomassa (PCI

gas

)................................................................ 123

7.2.2. Cálculo da entalpia do gás de biomassa........................................................... 124

7.2.3. Cálculo da entalpia da biomassa e do ar.......................................................... 126

7.2.4. Perda de calor................................................................................................... 127

7.2.5. Eficiência do gaseificador................................................................................ 128

8. SELEÇÃO DE EQUIPAMENTOS PARA O

CONDICIONAMENTO E LIMPEZA DO GÁS DE BIOMASSA.................. 131

8.1. Diagrama de fluxo da instalação.......................................................................... 131

8.2. Equipamentos fundamentais................................................................................ 134

8.2.1. Ciclone.............................................................................................................. 134

8.2.2. Catalisador........................................................................................................ 136

8.2.3. Trocadores de calor........................................................................................... 138

8.2.4. Lavadores de gases........................................................................................... 142

a. Lavadores de gás em base seca............................................................................... 142

b. Lavadores de gás em base úmida........................................................................... 144

8.2.5. Equipamento eliminador de umidade............................................................... 149

8.3. Equipamentos adicionais..................................................................................... 150

8.3.1. Soprador (blower)............................................................................................ 150

8.3.2. Compressor....................................................................................................... 151

9. ESTUDO ECONÔMICO E FINANCEIRO DA INSTALAÇÃO.................... 153

9.1. Benefícios do uso de gás de madeira ...................................................................153

9.2. Estudo Econômico............................................................................................... 154

9.2.1. Custos dos equipamentos e obra civil............................................................... 154

9.2.2. Custos de operação e manutenção.................................................................... 158

a. Custos da biomassa................................................................................................. 159

b. Custos de manutenção............................................................................................ 159

c. Custo de mão de obra.............................................................................................. 159

d. Custos de amortização............................................................................................ 159

9.3. Estudo Financeiro................................................................................................ 159

9.3.1 Fluxo de caixa, TIR e VPL................................................................................ 161

9.3.2. Análise de sensibilidade.................................................................................... 165

10. CONCLUSÕES...................................................................................................167

REFERÊNCIAS........................................................................................................ 169

ANEXOS.................................................................................................................. 178

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2.1: Variedade do uso de tecnologia a partir da biomassa............................ 27

FIGURA 2.2: Quantidade de biomassa utilizada no mundo........................................ 28

FIGURA 2.3: Exemplo da Biomassa natural............................................................... 32

FIGURA 2.4: Exemplo de biomassa residual, resíduos florestais............................... 34

FIGURA 2.5: Exemplo de biomassas florestais industriais, serragem da indústria

madeireira............................................................................................. 34

FIGURA 2.6: Exemplo de resíduos agrícolas.............................................................. 35

FIGURA 2.7: Exemplo de resíduos agro-industrial sólidos, cana de açúcar................36

FIGURA 2.8: Resíduos sólidos urbanos, RSU............................................................. 36

FIGURA 2.9: Cultivos energéticos.............................................................................. 37

FIGURA 2.10: Formas de conversão da biomassa...................................................... 42

FIGURA 2.11: Etapas da combustão da madeira......................................................... 45

FIGURA 2.12: Produção de carvão em forno Lambiote............................................. 47

FIGURA 3.1: Diagrama de fluxos e aplicações dos produtos da gaseificação............. 52

FIGURA 3.2a: Variação da temperatura de combustão e das concentrações de CO

e CO

com o coeficiente de excesso de ar em combustão real............... 57

FIGURA 3.2b: Variação da temperatura de combustão e das concentrações de CO

e CO

com o coeficiente de excesso de ar numa combustão teórica..... 58

FIGURA 3.3: Produção de gás sínteses nas ultimas 3 décadas................................... 62

FIGURA 3.4: Opções tecnológicas da gaseificação.................................................... 69

FIGURA 4.1: Gaseificador de corrente ascendente ou de tiro direito......................... 74

FIGURA 4.2:Gaseificador de Corrente Descendente ou de tiro invertido

(Tipo Garganta)........................................................................................ 75

FIGURA 4.3: Gaseificador de tiro transversal............................................................. 79

FIGURA 4.4: Gaseificador de leito fluido................................................................... 82

FIGURA 4.5: Leito fluidizado borbulhante................................................................. 84

FIGURA 4.6: Leito fluidizado circulante CFBs.......................................................... 84

FIGURA 4.7: Gaseificador de duas fases.................................................................... 88

FIGURA 4.8: Gaseificadores tipo Downdraft (Ezq) e de Leito Fluidizado

(Der) ambos de pequeno porte................................................................ 88

FIGURA 5.1: Filtro de ciclone..................................................................................... 96

FIGURA 5.2: Filtros cerâmicos.................................................................................... 98

FIGURA 5.3: Filtro de mangas.................................................................................... 98

FIGURA 5.4: Filtros Eletrostáticos............................................................................ 100

FIGURA 5.5: Depurador úmido do Tipo Venturi...................................................... 101

FIGURA 5.6: Eficiências na separação de partículas em sistemas convencionais de

limpeza do gás de saída....................................................................... 102

FIGURA 5.7: Depurador úmido (wet scrubber)......................................................... 104

FIGURA 6.1: Fluxo de ar e gás produzido em função da biomassa processada para

um gaseificador tipo Downdraft com garganta.................................... 108

FIGURA 6.2: Coifa de alimentação.......................................................................... 110

FIGURA 6.3: Cilindro de alimentação...................................................................... 110

FIGURA 6.4: Gaseificador, vista frontal.................................................................. 113

FIGURA 6.5: Gaseificador, vista de perfil............................................................... 113

FIGURA 6.6: Grelha, vista de perfil......................................................................... 114

FIGURA 6.7: Parte inferior do gaseificador............................................................. 115

FIGURA 6.8: Montagem do Gaseificador................................................................ 117

FIGURA 6.9: Relação ar/biomassa para a zona de gaseificação............................... 118

FIGURA 6.10: Balanço de massa do gaseificador..................................................... 119

FIGURA 7.1: Eficiência a frio em gaseificadores..................................................... 129

FIGURA 7.2: Eficiência a quente em gaseificadores................................................. 130

FIGURA 8.1: Fluxograma da instalação de gaseificação.......................................... 133

FIGURA 8.2: Dimensões para um ciclone de alta eficiência..................................... 136

FIGURA 8.3: Variação do Cp do gás para distintas temperaturas............................. 141

FIGURA 8.4: Principio de desenho, Venturi – Reither............................................. 145

FIGURA 8.5: Sistema Venturi – Reither................................................................... 145

FIGURA 8.6: Principais dimensões do Venturi – Reither......................................... 147

FIGURA 8.7: Perda de carga respeito ao avanço do pistão....................................... 149

FIGURA 8.8: Conteúdo de água no gás em função da temperatura.......................... 150

FIGURA 8.9: Sistema eliminador de umidade.......................................................... 151

FIGURA 9.1. Metodologia para a determinação de custo de equipamento............... 155

FIGURA 9.2: Variação da TIR considerando diminuição do o investimento............ 165

FIGURA 9.3: Variação do VLP considerando um aumento da potencia instalada....165

FIGURA 9.4: Variação do TIR considerando aumento do preço da energia elétrica.166

FIGURA 9.5: Retorno do Custo do Investimento (Payback)..................................... 166

LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1: Características técnicas de diferentes tipos de biomassas em base

seca........................................................................................................ 41

TABELA 2.2: Análise de material volátil, carvão fixo e cinzas de biomassas típicas.41

TABELA 2.3: Massa teórica de ar necessária para queimar 1 kg de biocombustível

seco...................................................................................................... 45

TABELA 2.4: Tecnologias para pirólises da biomassa................................................ 49

TABELA 3.1a: Principais reações na gaseificação...................................................... 54

TABELA 3.1b: Principais reações na gaseificação...................................................... 54

TABELA 3.2: Poderes caloríficos dependendo do tipo de agente gaseificante........... 55

TABELA 3.3: Principais agentes gaseificantes............................................................ 56

TABELA 3.4: Composição volumétrica típica do gás pobre de diferentes tipos de

gaseificadores......................................................................................... 59

TABELA 3.5: Projetos de demonstração da tecnologia de gaseificação aplicada a

biomassa vegetal como combustível...................................................... 66

TABELA 3.6: Gaseificadores de leito fixo em operações........................................... 70

TABELA 4.1: Vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de gaseificadores........86

TABELA 4.2: Principais características de operação dos diferentes tipos de

gaseificadores......................................................................................... 87

TABELA 5.1: Qualidade do gás para geração de potência.......................................... 91

TABELA 5.2: Composição da cinza a partir da biomassa selecionada....................... 91

TABELA 5.3: Concentrações de alcalinos no combustível......................................... 92

TABELA 5.4: Comparação do conteúdo de alcatrão e partículas assim como

qualidade do gás obtido em distintos tipos de gaseificadores.............. 94

TABELA 5.5: Quedas de pressão e tamanhos de partículas recolhidas em

depuradores úmidos............................................................................ 103

TABELA 5.6: Eficiências na remoção de alcatrões reportados de depuradores úmidos

em sistemas de gaseificação de biomassa........................................... 104

TABELA 6.1: Dados técnicos de gaseificadores Downdraft tipo garganta............... 109

TABELA 6.2: Características das válvulas do sistema de alimentação..................... 112

TABELA 6.3: Características técnicas de diferentes tipos de biomassa em base

seca..................................................................................................... 120

TABELA 6.4: Conteúdo energético de alguns recursos com distintas percentagens

de umidade.......................................................................................... 120

TABELA 7.1: Principais características da construção do gaseificador.................... 122

TABELA 8.1: Tipos de reações na fase gasosa......................................................... 137

TABELA 8.2: Principais características dos trocadores de calor IC

, IC2.................141

TABELA 8.3: Principais dimensões e parâmetros do lavador Venturi VR-100........ 147

TABELA 8.4: Variação da perda de carga em função do passo (S) e a velocidade

na garganta......................................................................................... 148

TABELA 8.5: Características principais do soprador (Blower)................................ 151

TABELA 9.1: Valores do expoente “b” para equipamentos de química industrial....156

TABELA 9.2: Custos estimados de equipamentos de sistema de gaseificação para

uma alimentação de 100 kg/h de biomassa lignocelulosica................158

TABELA 9.3: Fluxo de caixa, TIR e VPL................................................................. 163

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SIMBOLOS

ARBRE - Energia renovável de biomassa (Arable Biomass Renewable Energy)

atm - Pressão (1 Atmosfera = 1,01325 bar)

BIGCC - Gaseificação de biomassa em ciclo combinado (Biomass Integrated

Gasification Cicle Combined)

Cp - Calor espécifico a pressão constante (kJ / kg.°K)

cp - : Centipoise (unidade de viscosidade no sistema CGS) (1 poise =

N.s/m

)

- Metano

CO - Monóxido de Carbono

- Dióxido de Carbono

- Acetileno

- Etileno

- Etano

CFB - Leito Fluidizado Borbulhante (Circulating Fluidized Bed)

€ - Euro (moeda oficial da Comunidade Européia)

g - gramos

gmol - gramos mol

GICC - Gaseificação com ciclo combinado (Gasification Integrated Cicle

Combined)

GLP - Gás Liquefeito de Petróleo

- Hidrogênio

HRSG - Caldeira de recuperação (Heat Recovery Steam Generation)

mb - Milibar (1 b (bar) = 10

N/m

)

min - Minuto

MCI - Motor de Combustão Interna

MPa - Pressão

Mtep - Milhões de toneladas equivalentes de petróleo

- Nitrogênio

NOx

Óxidos de nitrogênio

- Oxigênio

PCI - Poder calorífico Inferior

PCS - Poder calorífico Superior

Pie - 1 Pie (foot) = 0,3048 m

Polg H

O - Polegadas de coluna de H

Pol - Polegada (0,0254 m)

TIR - Taxa interna de retorno

ton - Toneladas

US$ - Dólares americanos

UK - Reino Unido (United Kingdon)

VPL - Valor Presente Líquido

PROLOGO

Se o fogo foi a pedra angular da civilização, o uso de combustíveis gasosos e líquidos

chegou a ser a tecnologia da idade moderna. Sem estes combustíveis refinados, todos

os processos seriam menos eficientes, menos convenientes e mais poluentes. No

entanto a civilização deve sobreviver à extinção dos combustíveis fósseis . Modernas

tecnologias serão afetadas se não se encontrar um substituto. A tecnologia da

gaseificação proporciona uma base para o fornecimento suplementar de combustíveis

líquidos e gasosos. [Redd, 1981].

CAPITULO 1

1. INTRODUÇÃO

Por cerca de 20 anos, os baixos preços do petróleo têm feito que a obtenção de

líquidos e gases combustíveis a partir da biomassa não fosse tão atrativa. Mais,

recentemente, o rápido incremento dos preços do mineral líquido, tem gerado interesse

renovado para aqueles combustíveis procedentes da biomassa via métodos

termoquímicos.

O uso do “gás de biomassa” para funcionamento de motores de combustão

interna, teve seus primeiros ensaios aproximadamente no ano 1881. Por volta de 1920

este gás foi usado para funcionamento de caminhões e tratores na Europa. Na ocasião

os geradores de gás operavam com madeira e carvão produzindo um gás com elevadas

proporções de alcatrão. Enquanto foi possível seu uso em motores, a falta de limpeza

deste gás mostrava que estes métodos não eram a melhor opção da época e assim, os

combustíveis sólidos para usos automotores não atingiram o nível de aceitação como

se esperava. Vários trabalhos que apontavam ao melhoramento destes geradores de gás

foram concebidos por parte de inventores independentes e de poucas companhias até o

período da segunda guerra mundial. Com o começo da guerra e a escassez de

combustíveis líquidos na Europa, se intensificaram as pesquisas para a disponibilidade

de novos combustíveis e resultaram no surgimento das atividades em projetos e

instalações geradoras de gás de biomassa [Reed, 1981].

O final da guerra trouxe o uso dos combustíveis fósseis líquidos e uma rápida

conversão para os veículos a diesel e a gasolina. Desde a guerra, uns poucos geradores

utilizando gás de biomassa tem estado em operação e principalmente em países

subdesenvolvidos. O governo da Suécia, por exemplo, assim como a maioria dos

países do leste da Europa (Finlândia, Noruega, etc.) têm mantido um alto nível em

pesquisa e desenvolvimento em programas de gaseificadores de biomassa de pequeno

e grande porte, com a intenção de manter-se alertas e preparados tanto militar como

economicamente a possíveis eventos de embargo ou crises de combustíveis líquidos.

Tendo em conta que não existe um único tipo de gaseificador adequado para a

variedade de biomassas existentes, em cada projeto tem se que estudar

convenientemente, qual é a tecnologia mais adequada para as necessidades do trabalho

a que vai ser destinado o gás combustível, assim mesmo, considerando que a biomassa

é uma fonte de energia que se encontra muito dispersa no território, na maioria dos

paises desta parte do hemisfério. É conveniente propor instalações de gaseificação de

capacidades inferiores a 1000 kg/h de alimentação, do que instalações de grande e

médio porte, especialmente para diminuir o preço do transporte e considerar como

quase nulo o preço da biomassa quando esta for considerada como resíduo [G.P.T,

2005].

Estas pequenas instalações demandariam uma grande flexibilidade tanto da

biomassa a se utilizar como na utilização que se possa dar ao gás produzido, propondo

em quase todos os casos o desejo de uma dupla utilização, tanto para a sua combustão

em pequenas caldeiras ou fornos, quanto para a geração de eletricidade através do uso

de MCI. Estes fatos fazem com que no mercado atual exista uma possível demanda de

gaseificadores especialmente do tipo “downdraft”, que podem ser utilizados para uma

ampla variedade de biomassa, com simples e algumas vezes nulos pré-tratamentos da

mesma e a posterior utilização do gás em MCI através de simples processos de

limpeza. Nesse contexto, este tipo de instalação requer um simples manejo e

manutenção, que lhe confere uma alta disponibilidade.

Considerando tudo isso, a gaseificação utilizando gaseificadores downdraft

resulta numa boa e interessante alternativa, frente aos atuais baixos preços de outras

fontes de energias como, por exemplo, do gás natural, uma possível regulação do setor

elétrico no que se refere à eletricidade gerada a partir da biomassa, faria com que esta

tecnologia obtivesse uma viabilidade econômica otimista para os anos vindouros.

Cabe assinalar também que recentemente tem havido interesse na gaseificação de

biomassa para a produção de hidrogênio para uso em células a combustível (Fuel

Cell). A produção de um gás limpo e rico em hidrogênio, requer tecnologias

adequadas, incluindo a remoção de partículas e de alcatrão. Tudo isto, ante uma

possível mudança a uma economia mundial baseada no hidrogênio.

Neste capitulo 1, apresenta-se o objeto de estudo da presente dissertação. No

capitulo 2, estuda-se a biomassa e seus principais aspectos de forma geral incluindo a

situação atual deste recurso renovável, tanto a nível nacional como internacional;

vantagens e desvantagens que representa o seu uso; uma classificação dos principais

tipos de biomassa que existem na natureza; propriedades deste recurso e seus

principais processos de conversão energética.

No capitulo 3, apresenta-se um estudo detalhado da gaseificação como principal

processo de conversão energética incluindo os princípios básicos do processo, os

produtos da gaseificação, aplicações do gás de biomassa, estado atual da gaseificação

tanto do carvão como da biomassa (em instalações de grande e pequeno porte); um

possível cenário futuro da gaseificação e experiências em instalações de pequeno porte

também são apresentados.

No capitulo 4, estuda-se os principias tipos de gaseificadores que existiram e

aqueles que existem na atualidade, as vantagens, desvantagens, operação e

desempenho de cada tipo de gaseificador.

No capitulo 5, apresenta-se o estado da arte da limpeza e acondicionamento que

o gás de biomassa precisa antes de seu ingresso em um MCI; neste capítulo inclui

descritivo dos principais poluentes e as tecnologias disponíveis no mercado para a

limpeza e acondicionamento do mesmo.

No capítulo 6, apresenta-se o dimensionamento e funcionamento do

gaseificador projetado incluindo o sistema de alimentação e a metodologia de

construção; desenvolve-se também o balanço de massa do gaseificador. Todos os

desenhos (planos) citados neste capítulo encontram-se nos anexos do presente

trabalho.

No capítulo 7, apresentam-se os cálculos e equações utilizadas para o

dimensionamento do gaseificador, e efetua-se o balanço de energia a fim de conhecer a

perda de calor e as eficiências do equipamento.

No capítulo 8, apresentam-se os cálculos e metodologia utilizada para a seleção

dos principais tecnologias de limpeza e acondicionamento do gás de biomassa. A

seleção é baseada no fluxo de gás de biomassa produzido, na temperatura e no nível de

impurezas deste gás. O capitulo inclui também um diagrama de fluxo geral da

instalação onde se detalha a posição dos equipamentos fundamentais selecionados e de

alguns equipamentos adicionais e/ou auxiliares.

No capítulo 9, apresenta-se o estudo econômico e financeiro da instalação

proposta. No estudo econômico se incluem os custos dos equipamentos, custos de

instalação e custos operacionais (custos de biomassa, custo de manutenção, custo de

mão de obra e custos de amortização); o estudo financeiro inclui o fluxo de caixa dos

principais custos, a Taxa Interna de Retorno (TIR), o Valor Presente Líquido (VPL) e

o respectivo “Payback”; por último, apresenta-se uma análise de sensibilidade

mediante gráficos comparando a TIR x custo de investimento, a potência instalada x

VPL e a TIR x preço da eletricidade.

Finalmente, no capítulo 10, são citadas as conclusões finais deste trabalho de

dissertação.

CAPITULO 2

BIOMASSA ASPECTOS GERAIS

2.1. INTRODUÇÃO

A biomassa é o termo utilizado para todo o material orgânico que provenha dos

vegetais e animais (incluindo as algas, as árvores, resíduos vegetais, resíduos animais,

resíduos sólidos urbanos (RSU), produtos biodegradáveis). Esta é a forma mais

comum das energias renováveis, sendo usada intensamente nos países do terceiro

mundo, mas somente há poucos anos alguns países industrializados começaram a

utilizá-la. A biomassa é reconhecida por muitos pesquisadores da área energética como

uma das mais relevantes novas formas de energia para produção de eletricidade

tendendo a um crescente uso. Nos últimos tempos, a atenção tem-se focalizado em

identificar as espécies convenientes da biomassa, que possam proporcionar opções

para substituir as fontes convencionais de energia provenientes de combustíveis

fósseis.

A biomassa vegetal é produzida pelas plantas verdes que convertem a luz solar

no material que precisam para seu desenvolvimento por meio da fotossíntese e inclui

toda a vegetação da terra com base na água, assim como todos os lixos orgânicos. O

recurso da biomassa pode-se considerar como matéria orgânica onde a energia da luz

do sol é utilizada para promover as frações químicas. A biomassa tem sido sempre

uma fonte importante de energia para a humanidade e estima-se que atualmente

contribui na ordem de 10 a 14% como fonte de energia mundial [McKendry (Part I),

2002].

O principal desafio do aproveitamento energético da biomassa é a geração de

eletricidade ou a geração simultânea de energia térmica e eletricidade (cogeração),

com altas eficiências, utilizando MCI, turbinas a gás e turbinas a vapor ou a

combinação nas duas. O potencial de um processo de gaseificação de biomassa para a

contribuição na geração de energia para qualquer país é alto. Isto está claramente

associado com os elevados benefícios ao meio ambiente como por exemplo os altos

níveis de redução de emissões.

No Brasil, no inicio do século, a biomassa foi o primeiro combustível utilizado

em plantas termelétricas, em 1995, a geração de eletricidade a partir de recursos

bioenergéticos chegava a 6,5 TWh, com uma potência instalada superior a 2 GW e

representando 30% da geração de origem térmica e 2,5% da geração total de

eletricidade [Nogueira e Moreira, 1997].

Com respeito ao uso energético, só se comercializa 30% da biomassa utilizada, e

se fixarmos no setor industrial, este porcentual baixa para 16%. Isto indica que um dos

fatores que leva à utilização de biomassa é o custo quase nulo do combustível (custo

zero da biomassa), como é o caso da eliminação de um resíduo. A União Européia tem

o objetivo de duplicar a contribuição atual das energias renováveis no ano 2010 (no

ano 2000 era de quase 6% do consumo de energia primária); o consumo de energia

primária com energias renováveis deverá passar de 74 Mtep a 182 Mtep/ano. Para a

biomassa supõe um incremento até 135 Mtep para o ano 2010. Há quem considera que

este é um objetivo modesto. No entanto, levando-se em conta a contribuição das

energias renováveis, a biomassa, tem variado muito pouco nas últimas décadas.

Portanto, ao se pensar em dobrar esta contribuição na União Européia num período de

10 anos, se pode qualificar como um objetivo ambicioso [Becerra, 1999].

2.2. A SITUAÇÃO ATUAL DA BIOMASSA

A energia de recursos provenientes da biomassa apresenta, em muitos aspectos,

um quadro mais complicado que outras energias renováveis devido a uma variedade

ampla de matéria prima e de tecnologias de conversão. Seu crescimento tem se

intensificado mais em algumas áreas que em outras. A Fig. 2.1 mostra a variedade de

usos de tecnologia a partir da biomassa.

Figura. 2.1 .Variedade do uso de tecnologia a partir da biomassa [Gross et. al, 2003].

O uso atual da biomassa como energia primária do mundo está na ordem de 14%;

a maioria é utilizada nos países em vias de desenvolvimento, onde a biomassa

corresponde até em um terço das necessidades energéticas [Bauen e Kaltschmitt,

2001]. Por outro lado, a biomassa proporciona na maioria dos países industrializados

cerca de 3% de energia consumida. [Gross et al., 2003]. A Fig. 2.2 mostra que a

quantidade de biomassa utilizada no mundo é muito mais baixa que seu potencial na

maioria das regiões. No entanto, seu uso parece exceder o consumo sustentável em

algumas regiões como por exemplo na Ásia e em alguns países em vias de

desenvolvimento onde são necesarias aplicações modernas para o uso sustentável de

biomassa.

Figura. 2.2 Quantidade de Biomassa utilizada no mundo [Bauen e Kaltschmitt, 2001].

Modernamente o uso da biomassa pode proporcionar a produção simultânea de

calor e eletricidade; este modo de utilização contribui em quase 4% da energia

primária nos EUA; 11% na Áustria, 20% na Finlândia e 17% na Suécia. A biomassa

também é utilizada para fins de aquecimento urbano e para fins de cogeração em

países como Dinamarca e Alemanha [Bauen e Kaltschmitt, 2001]. A produção

acumulativa de eletricidade a base de biomassa ao longo de nossa historia atinge os

100 TWh, e por isso as centrais térmicas a partir da biomassa têm uso mais

considerável no mercado que qualquer outra opção de energia renovável emergente.

Segundo Williams e Larson (1993) nos Estados Unidos, a capacidade instalada

de geração elétrica a partir da biomassa no início dos anos 90 era de 8,4 GW; na

mesma época o DOE (Departamento de Energia do Governo dos EUA) planejava para

o ano 2000 uma capacidade instalada de 12 GW, prevendo-se chegar , em 2030 a 100

GW.

2.3. VANTAGENS QUE APRESENTA O USO DA BIOMASSA

O emprego da biomassa apresenta numerosas vantagens, não só para o

proprietário da instalação de aproveitamento energético, mas também para a

sociedade. As vantagens mencionadas são fundamentalmente econômicas e ambientais

já que diminui os gastos energéticos ao reduzir quantidade de combustível fóssil que

se deve adquirir.

2.3.1. VANTAGENS AMBIENTAIS

• Considera-se que todo o CO

emitido na utilização energética da biomassa tem

sido previamente fixado nas estruturas da matéria vegetal durante seu

crescimento, pelo que não contribui ao incremento da sua concentração na

atmosfera. No entanto, este balanço não é completamente nulo como

demonstra uma completa análise de ciclo de vida. Para a geração elétrica tendo

como combustível biomassa por exemplo, precisa-se de transporte (ou seja

consumo de combustíveis fosseis no caso do transporte da biomassa à central de

geração). Mas não há dúvida que no global, o balanço de CO

é praticamente

nulo.

• A biomassa tem teores muito baixos de enxofre, geralmente inferiores a 0,1%.

Por esse motivo, as emissões de dióxido de enxofre, junto com as emissões de

óxidos de nitrogênio, que são as causadoras da chuva acida, são mínimas.

• Por outro lado o uso de biocombustíveis em MCI, supõe uma redução das

emissões geradas (hidrocarbonatos, voláteis, partículas, SO

e CO).

• Por último, o emprego da tecnologia de digestão anaeróbica para tratar a

biomassa residual úmida, e os resíduos sólidos urbanos além de reduzir a sua

carga poluente, reduzem maus cheiros e eliminam quase na sua totalidade os

germes e os microorganismos patogênicos. Os subprodutos resultantes do

processo de digestão anaeróbica podem ser utilizados como fertilizantes na

agricultura.

2.3.2. VANTAGENS SOCIOECONÔMICAS

• O uso energético da biomassa contribui à diversificação energética que é um

dos objetivos dos planos energéticos, tanto em nível nacional como em nível

mundial.

• A implantação de recursos energéticos (plantações) em terras abandonadas

evita a erosão e a degradação do solo. Política internacional, como por exemplo

a Européia (PAC – Política Agrária Comunitária), permite a utilização de terras

em retiro para a produção de cultivos não alimentícios, como são os cultivos

energéticos e podas que incrementam as rendas dos agricultores.

• O aproveitamento de alguns tipos de biomassa (principalmente a florestal e dos

cultivos energéticos) contribui à criação de postos de trabalhos no meio rural.

2.4. PROBLEMAS QUE REPRESENTAM A SUA UTILIZAÇÃO

A utilização energética da biomassa apresenta, devido a suas características,

pequenos inconvenientes com relação aos combustíveis fósseis.

• Os rendimentos das caldeiras de biomassa são inferiores em comparação ao

daquelas que usam combustíveis fósseis líquidos e gasosos.

• A biomassa possui menor densidade energética, e para conseguir a mesma

quantidade de energia é preciso utilizar mais quantidade desta. Isto implica que

os sistemas de armazenamento de combustível sejam em geral, maiores.

• Os sistemas de alimentação de combustível e eliminação de cinzas, são mais

complexos e requerem maiores custos de operação e manutenção em relação

aos sistemas que trabalham com combustíveis fósseis líquidos ou gasosos. No

entanto, cada vez existem no mercado sistemas mais automatizados que

minimizam estes inconvenientes.

• As vias de distribuição da biomassa não estão desenvolvidas como as dos

combustíveis fósseis (só aplicável no caso que os recursos não sejam próprios).

Além de que a baixa densidade afeta os custos de transporte, tornando difícil à

viabilidade econômica conforme aumenta a distância do ponto de produção do

recurso até a instalação para o seu aproveitamento.

• Em muitos casos a biomassa apresenta elevados teores de umidade, o que faz

que em determinadas aplicações seja necessário um processo prévio de secagem

[Circe, 2005].

2.5. TIPOS DE BIOMASSA

Uma correta classificação da biomassa teria que considerar toda a matéria

orgânica de origem vegetal e animal, incluindo aqueles materiais procedentes de sua

transformação natural e artificial, alem da existência de inúmeras classificações. A

seguinte lista pode ser elaborada resumindo algumas pesquisas apresentadas na

literatura científica.

Atendendo a composição da biomassa, esta pode ser dividida em:

• BIOMASSAS AÇUCARADAS: Estão dentro deste grupo, aquelas biomassas

com um alto conteúdo de açucares solúveis, geralmente “sacarose”. A cana de

açúcar e a beterraba quando são utilizadas com fins energéticos são dois exemplos

importantes deste grupo.

• BIOMASSAS AMILÁCEAS: As biomassas amiláceas possuem na sua

composição quantidades importantes de amido (poliglicose) ou insulina (polímero

da frutuosa e glicose). Dentro deste grupo situam-se os grãos de cereais (contêm

amido) e os tubérculos como a batata.

• BIOMASSAS OLEAGINOSAS: Contém óleos vegetais que podem ser

utilizados como combustíveis de motores. São exemplos deste tipo os girassóis,

canola e a soja.

• BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA: Os componentes principais deste tipo

de biomassa são a celulose, hemicelulose (polissacarídeos) e a lignina. Além destes

compostos, também se encontram líquidos e hidrocarbonetos. A madeira e os

resíduos florestais são exemplos típicos deste grupo.

Atendendo à origem, a biomassa pode-se classificar em:

• BIOMASSA NATURAL: A qual produz espontaneamente a natureza sem

nenhum tipo de intervenção humana; os recursos gerados nas podas naturais de um

bosque constituem um exemplo deste tipo de biomassa. A figura 2.3 ilustra um

exemplo de biomassa natural.

Figura 2.3. Exemplo da Biomassa natural [http://www.biomass.org, Consultado em

Junho 2005].

Os ramos que por ação do vento, tempestades ou pelo efeito combinado da

gravidade e dos processos de putrefação, caem ao solo de um bosque são biomassa

natural. A utilização destes recursos requer da gestão do recolhimento e transporte até

a empresa, o que junto com a baixa produção de biomassa por unidade de superfície,

pode indicar em algumas vezes que o seu uso seja inviável economicamente.

• BIOMASSA ANTROPOGÊNICA: Como o seu nome o indica, é aquela em

cuja formação intervém o homem. Esta se pode divide em

o BIOMASSA RESIDUAL: Produz-se como conseqüência das atividades

agrícolas, florestais e das indústrias (se incluem neste campo os resíduos

orgânicos). Este tipo de biomassa compreende a seguinte classificação.

- Residuais Florestais: Esta biomassa obtém-se dos trabalhos de manutenção

que se efetuam nos bosques de exploração madeireira e que constituem na

prática a totalidade dos recursos existentes nos países industrializados.

Por exemplo, na União Européia (centro e norte de Europa), a produção

potencial média de resíduos florestais num bosque madeireiro, com um ciclo de

vida de 70 a 90 anos, é de aproximadamente 2 toneladas de matéria seca por

hectare ao ano. Nos países mediterrâneos, este valor se situa entre 1 a 1,5 ton

por hectare ao ano. Por limitações do meio ambiente só 45% a 50% desta

produção se deveria recolher, deixando sobre a terra algumas ramas e folhas

que contém a maior parte dos nutrientes. A figura 2.4 mostra o tipo de

biomassa residual.

- Resíduos florestais industriais: São aqueles oriundos das indústrias de madeira.

Também se incluem neste grupo os licores negros das industrias de celulose e

papel que são aproveitados como combustíveis uma vez que têm concentrações

de 50 a 60% de sólidos, os resíduos de madeira gerados na mesma industria

(vide a figura 2.5).

Figura 2.4. Exemplo de biomassa residual, resíduos florestais

[http://www.biomass.org, consultado em Junho 2005].

Figura 2.5 Exemplo de biomassas florestais industriais, serragens da indústria

madeireira [http://www.biomass.org, Consultado em Junho 2005].

- Resíduos Agrícolas: Este tipo de biomassa é formado pelo resíduo gerado nos

cultivos agrícolas, como apresentado na figura 2.6. Atendendo a natureza da sua

biomassa, estes resíduos podem se classificar em herbáceos e lenhosos.

Exemplos do primeiro grupo se constituem a palha de cereais, que é o principal

resíduo agrícola das zonas frias e temperadas do planeta. Outros resíduos

importantes deste grupo são o sabugo de milho e as cabeças do girassol. No

segundo grupo, incluem-se os resíduos de poda de árvores frutíferas, da oliveira

e o caule da uva.

- Resíduos agroindustriais sólidos: Como seu próprio nome o indica, são

aqueles gerados pelas agroindústrias, Fig 2.7. Entre estes se podem mencionar o

bagaço de cana de açúcar, a palha de arroz, a casca de amendoim e caroço de

azeitona resultante da extração do azeite de oliveira.

- Resíduos biodegradáveis: Constitui-se de uma série de materiais líquidos ou

semi-sólidos entre os quais se incluem os resíduos agro-industriais líquidos

(rações de animais), resíduos líquidos urbanos e lodos de depuração. Também

de forma geral, pode-se incluir dentro deste grupo á fração orgânica dos

resíduos sólidos urbanos (RSU). Como apresentado na figura 2.8.

Figura 2.6. Exemplo de resíduos agrícolas [http://www.biomass.org, consultado em

Junho 2005].

Figura 2.7. Exemplo de resíduos agro-industrial sólidos, cana de açúcar

[http://www.biomass.org, Consultado em Junho 2005].

Figura 2.8. Resíduos sólidos urbanos, RSU [http://www.biomass.org, Consultado em

Junho 2005].

o CULTIVOS ENERGÉTICOS: Fazem parte deste tipo de biomassa aquelas

espécies vegetais que se cultivam especificamente para a produção de energia.

Em certos casos os cultivos energéticos são as mesmas espécies agrícolas ou

florestais, mas, em geral, com distintas condições de cultivo (vide figura 2.9).

Assim ocorre por exemplo, com o salgueiro e o eucalipto. Estas espécies

quando têm por finalidade o uso energético cultivam-se com períodos de

colheita muito curtos e densidades de plantação maior, com diferença daquela

produção destinada as indústrias madeireiras e de papel. Entre as espécies que

hoje em dia estão-se dedicando à produção de energia, podem-se citar a cana de

açúcar, cereal e matérias primas utilizadas para a produção de etanol como

combustível; assim mesmo cabe citar, em menor importância que as anteriores,

aquelas espécies oleaginosas como a colza (canola), soja e o girassol que são

utilizados na produção de biodiesel. No caso da Europa, em vista da elevada

produtividade que oferecem os cultivos energéticos lignocelulósicos,

geralmente acima das 10 ton de biomassa seca ao ano, a sua utilização se prevê

ligada fundamentalmente ao abastecimento de grandes usinas energéticas,

principalmente usinas de bio-eletricidade [Carrasco, 2003].

Figura 2.9. Cultivos energéticos [http://www.biomass.org, Consultado em Junho

2005].

2.6. PROPRIEDADES DA BIOMASSA

As principias características de interesse da biomassa no que se refere a sua

futura conversão são as seguintes [McKendry (Part I), 2002]:

• Conteúdo de umidade

• O poder calorífico inferior

• Proporções de carvão fixos e voláteis

• Conteúdo de cinzas e/o resíduos

• Conteúdo de metais alcalinos

• Relação entre a celulose e a lignina

Para processos de conversão com biomassa seca, as primeiras 5 propriedades são

de interesse. Para processos de conversão de biomassa úmida a primeira e a última

propriedade merecem especial atenção.

2.6.1. CONTEUDOS DE UMIDADE

Existem duas formas quanto à existência de umidade numa biomassa: A umidade

própria do material sem influência dos meios climáticos; e a umidade devido a agentes

externos, influenciados pelas condições climáticas no momento da colheita.

Neste ponto, o interessante é a umidade devido a agentes externos, já que a

umidade intrínseca do material é tomada em conta em pesquisas de laboratório e não

em aspectos de gaseificação em nível geral. Na tabela 2.1 mostram-se os conteúdos de

umidade própria de cada material.

2.6.2. PODER CALORÍFICO

A escolha do correto tipo de biomassa, depende em parte por seu poder calorífico

inferior. Como se sabe, existem dois tipos de poderes caloríficos:

O poder calorífico de um combustível é a quantidade de energia que é liberada

durante a combustão completa da unidade de massa (1 kg) ou unidade de volume

(1Nm

) do combustível podendo ser medida em kJ/kg (kcal/kg) ou kJ/Nm

(kcal/Nm

Se na temperatura de referência, 25 °C, a água estiver no estado vapor nos produtos da

combustão, aplica-se o termo Poder Calorífico Inferior (PCI), enquanto que se a água

estiver em estado líquido nos produtos, aplica-se o termo de Poder Calorífico Superior

(PCS). A diferença entre o PCS e o PCI é o calor latente de condensação da água

[Carvalho e McQuay, 2007].

Entretanto, em instalações industriais, geralmente a temperatura dos gases de

saída é maior que a temperatura de condensação, portanto o calor latente não é

possível de ser recuperado e por esse motivo, o PCI é de maior aplicação para os

cálculos de rendimento termodinâmico e viabilidade econômicos [Nogueira e Lora,

2003].

Os valores de PCS apresentam uma visão muito otimista sobre o conteúdo

energético do combustível; estes valores ignoram o conteúdo real de umidade do

combustível, e dão estimações ainda mais otimistas do conteúdo energético. Para fins

de gaseificação, poderes caloríficos inferiores (PCI) são os mais utilizados. A tabela

2.1 apresenta o PCI de diferentes tipos de biomassa.

2.6.3. PROPORÇÃO DE CARVÃO FIXO (CF) E VOLATÉIS (MV)

O conteúdo volátil ou material volátil (MV) de um combustível sólido é a porção

que é extraída ou retirada como gás (incluindo a umidade) por aquecimento (a 950 °C

durante 7 min). O conteúdo de carvão fixo (CF) é a massa que fica depois de atingir os

voláteis excluindo as cinzas e conteúdo de umidade

Testes em laboratórios são usados para determinar conteúdos de MV e CF de

combustíveis provenientes das biomassas. Análises completas baseadas em conteúdos

de MV, cinzas e umidade com valores de CF obtidos por diferenças são termos

chamados de ”Análises Próximas” de combustíveis ou “composição imediata”. Por

outro lado, análises de combustíveis que incluem elementos como C, H, O, N, e S

junto com o conteúdo de cinzas, são termos chamados “Análises Últimos” ou

“composição elementar”. Vide tabela 2.1.

O significado do conteúdo dos MV e do CF proporcionam uma medição com a

qual a biomassa pode ser aquecida, gaseificada e oxidada posteriormente, dependendo

de como esta for utilizada como fonte de energia.

2.6.4. CINZAS

Dependendo da quantidade de cinzas contida na biomassa, a disponibilidade de

energia do combustível é reduzida proporcionalmente. Num processo de conversão

termoquímica, a composição química da cinza pode significar em graves problemas

operacionais. Isto é importante, sobretudo para os processos de combustão onde a

cinza pode-se converter em “escória” originada pela mesma cinza em fase líquida a

altas temperaturas, a qual pode reduzir o rendimento da central e incrementar os custos

operacionais.

2.6.5. METAIS ALCALINOS

A reação dos metais alcalinos como, por exemplo, Na, K, Mg, P e Ca, com o

silício presente na cinza, produz um líquido pegajoso, o qual pode levar a obstruções

das entradas de ar na fornalha e na caldeira. Cabe fazer notar que mesmo que o

conteúdo intrínseco de silício na biomassa seja baixo, a contaminação com o solo

durante a sua colheita, pode incrementar o conteúdo de silício significativamente. O

conteúdo total de silício pode criar dificuldades operacionais. Esta última parte será

abordada com maior claridade no capítulo 5, que trata sobre o estado da arte na

limpeza do gás combustível proveniente de um gaseificador. A tabela 2.2 mostra

análises de biomassas típicas.

Tabela 2.1. Características técnicas de diferentes tipos de biomassas em base seca

[Jenkins, 1990] e [McKendry (Part I) 2002]

Composição elementar (%) Tipo de biomassa

C H O N S H

PCI

MJ/kg

Pinho

49,29 5,99 44,36 0,06 0,03 0,30 20,0

Eucalipto

49,00 5,87 43,97 0,30 0,01 0,72 19,04

Casca de arroz

40,96 4,30 35,86 0,40 0,02 18,34 16,1

Bagaço de cana

44,80 5,35 39,55 0,38 0,01 9,79 17,3

Casca de coco

48,23 5,23 33,19 2,98 0,12 10,25 19,0

Sabugos de milho

46,58 5,87 45,46 0,47 0,01 1,40 18,8

Ramas de algodão

47,05 5,35 40,97 0,65 0,21 5,89 18,3

Palha de trigo

48,5 5,5 3,9 0,3 0,1 4 17,3

Palha de Cevada

45,7 6,1 38,3 0,4 0,1 6 16,1

Lignina

56,4 4,2 18,4 1,6 - 5 26,8

Carvão Betuminoso

73,1 5,5 8,7 1,4 1,7 9 34

Tabela 2.2. Análise de material volátil, carvão fixo e cinzas de biomassas típicas.

[Jenkins, 1990] [McKendry (Part I), 2002]

Biomassa MV (%) CF (%) Cinza (%)

Pinho

82,54 17,70 0,29

Eucalipto

81,42 17,82 0,79

Casca de arroz

65,47 16,67 17,89

Bagaço de cana

73,78 14,95 11,27

Casca de coco

67,95 23,8 8,25

Sabugos de milho

80,10 18,54 1,36

Ramas de algodão

73,29 21,20 5,51

Palha de trigo

59 21 4

Palha de Cevada

46 18 6

Lignina

29 31 6

Carvão Betuminoso

35 45 9

2.7. CONVERSÃO DA BIOMASSA

As técnicas de aproveitamento energético aplicado à biomassa não são

procedimentos novos. No entanto, desde a década de 1970, estas técnicas têm

progredido extraordinariamente de tal forma que na atualidade têm-se tecnologias

específicas que fazem ressurgir a biomassa com expectativas energéticas; além disso

existe uma tendência de desenvolver processos para o refino destes combustíveis de

forma tal que sejam fontes energéticas acessíveis e de alta eficácia. Fig. 2.10

Figura 2.10. Formas de conversão da biomassa. [Circe, 2005].

Para a conversão de biomassa em energia se usam dois principais processos

tecnológicos: os processos termoquímicos e os processos bioquímicos / biológicos. A

extração mecânica (com esterificação) é a terceira tecnologia para a produção de

energia a partir de biomassa. Um exemplo deste último é o Metil ou Etil Ester ou

também mais conhecido como Biodiesel. [McKendry (Part I), 2002]. Atualmente o

custo do Biodiesel comparado com o preço dos combustíveis fósseis, faz com que a

tecnologia não seja competitiva, mas o incremento das poluições ambientais e a

procura na melhoria da qualidade do ar, especialmente em cidades super povoadas,

deve mudar esta situação nos próximos anos.

Quanto aos processos termoquímicos, são quatro os principais: combustão,

pirólise, gaseificação e hidrogenação. Para os processos bioquímicos dois são os

principais: digestão (produção de biogás, mistura de metano principalmente e dióxido

de carbono) e fermentação (produção de etanol). A combustão, a pirólise e a

gaseificação, constituem provavelmente as alternativas com maiores possibilidades da

implantação industrial em curto prazo para o uso dos resíduos lignocelulósicos.

2.7.1. CONVERSÃO TERMOQUÍMICA DA BIOMASSA

a. COMBUSTÃO

A combustão da biomassa constitui o sistema mais empregado para o

aproveitamento de resíduos lenhosos; representa cifras relativamente importantes

dentro da estrutura de consumo energético dos países menos desenvolvidos, sendo

neste caso mais favorecido o meio ambiente por ter menores a emissões de CO

comparando-a com as dos combustíveis fósseis [Ghetti et al., 1996]. Este processo

termoquímico (combustão) domina as aplicações industriais e residenciais na

atualidade [Bhat e Agarwal, 1996].

A combustão produz gases quentes atingindo temperaturas de 800 a 1000 ° C. É

possível queimar qualquer tipo de biomassa, mas na prática, a combustão é factível

somente para a biomassa com um conteúdo de umidade menor ao 50% [Circe, 2005],

e em caso contrário, recomenda-se ser feito uma pré-secagem. Quando se tem um alto

conteúdo de umidade na biomassa, são mais apropriados os processos biológicos de

conversão. A combustão envolve desde pequenas escalas, como por exemplo,

aquecimento doméstico, até grandes escalas nas usinas industriais atingindo potencias

de 1000 até 3000 MW. De acordo com Hellwig (1982), a combustão da biomassa

transcorre em seis etapas bem definidas: secagem, emissão dos voláteis, ignição dos

voláteis, queima dos voláteis em chama, extinção da chama dos voláteis e a combustão

do resíduo de carbono (coque). Na figura 2.11 apresenta-se a relação entre a fração de

massa consumida e a temperatura corresponde a cada uma destas etapas para o caso da

queima da madeira por exemplo.

O coeficiente de excesso de ar é um parâmetro importante que indica a condição

de combustão, e se define como a relação da massa de ar real e a massa de ar teórica

ou estequiométrica. Quando se tem excesso de ar, aumentam-se as perdas de calor

com os gases de exaustão e se houver falta de ar, aparecem nos gases produtos

provenientes de uma combustão incompleta, representando um desperdício de energia.

Segundo Nogueira et al., (2003), recomendam-se 20% de excesso de ar para a queima

de biomassa em suspensão e 30% para queima de biomassa em grelha. Na tabela 2.3

são apresentados valores de massa teórica de ar (ma) para algumas biomassas secas.

A co-combustão da biomassa em centrais elétricas com carvão é uma opção

especialmente atrativa devido à alta eficiência na conversão de energia para estas

centrais. As eficiências líquidas para as centrais elétricas com combustão de biomassa

atingem valores de 20% a 40%. As melhores eficiências são obtidas com sistemas

acima dos 100 MW ou quando a biomassa é combustiva com carvão em centrais

elétricas [McKendry (Part II), 2002].

b. PIRÓLISE

Pode-se definir a pirólise como a decomposição da matéria orgânica por meio da

energia em forma de calor numa atmosfera inerte ou em vácuo. Em outras palavras,

trata-se de descompor a matéria na ausência de oxigênio, o que favorecerá os

processos de oxidação. Submete-se a matéria orgânica a um aquecimento, de forma

que favoreça a ruptura das estruturas macromoleculares, criando-se produtos na forma

sólida, liquida e/ou gasosa.

Tabela 2.3. Massa teórica de ar necessária para queimar 1 kg de bio-combustível seco

[Nogueira e Lora, 2003]

TIPO DE BIOMASSA kg ar / kg biomassa seca

Biomassa padrão (CH

1,4

0,7

)

5,58

Pinho

5,79

Eucalipto

5,73

Casca de arroz

4,62

Bagaço de cana

5,26

Casca de coco

5,89

Sabugo de milho

5,39

Ramas de algodão

5,46

Figura 2.11. Etapas da combustão da madeira [Hellwig., 1982].

No processo da pirólise envolve-se um grande número de reações químicas, cuja

operação depende da composição química do material e das condições operacionais.

Neste processo, em primeiro lugar, acontece a liberação da umidade presente na

biomassa, já que em baixas temperaturas é o único processo promovido. No intervalo

de 250 a 350 °C tem-se lugar a fase quantitativamente mais importante da pirólise (da

madeira em especial), a decomposição térmica da hemicelulose e na sua grande parte

da celulose. Depois deste intervalo lhe segue a atmosfera volátil [Zanzi et al., 1996].

Finalmente permanecem em forma sólida os carvões fixos das cinzas.

A pirólise não é uma idéia surgida recentemente, mas por séculos tem sido usada

a técnica da pirólise para a geração de certos tipos de substancias. Por exemplo, nas

antigas culturas como na egípcia, grega, romana ou a chinesa, realizava-se a pirólise da

madeira com o objetivo de se produzir carvão vegetal, num processo usualmente

conhecido como carbonização. Os vapores condensáveis se utilizavam para

embalsamar ou como piche nas embarcações de madeira.

b.1. Produtos sintetizáveis em processos pirolíticos

• Carbonização: O produto obtido é o carvão vegetal usualmente utilizado em

nível doméstico. No setor industrial, usa-se na metalurgia ou na indústria

química, como por exemplo, na fabricação de filtros de carvão ativo. A análise

imediata do carvão vegetal permite obter um material com 80% de carvão fixo,

10 a 14% de voláteis e 1 a 3% de cinzas, com um poder calorífico de 7000 a

8000 kcal/kg. Este processo pode-se realizar por métodos tradicionais (como a

produção de carvão em forno Lambiotte) ou com uso de fornos modernos, (Fig.

2.12).

• Destilação da madeira: Obtêm-se líquidos pirolíticos e alcatrões principalmente

ou carvões e alcatrões, em função das temperaturas e o modo de operação. Em

qualquer caso, nas indústrias dedicadas à obtenção de líquidos pirolíticos,

interessa minimizar a matéria sólida e maximizar a condensação dos vapores.

GAS

SOBRANTE

SISTEMA DE

SEPARAÇÃO

DE GASES

GAS PARA

AQUECIMENTO

DO FORNO

Figura 2.12. Produção de carvão em forno Lambiote.

Os produtos pirolíticos obtidos são compostos por ácido acético, fórmico,

metanol, azeites, alcatrões e água. A rentabilidade deste processo depende da

capacidade para a depuração do líquido obtido e da separação eficaz das espécies

químicas. Os óleos obtidos podem ser utilizados, uma vez separados como

combustíveis com o correspondente problema de um maior controle no tratamento do

mesmo. Num futuro próximo, o maior campo de aplicação previsto para estes óleos

procedentes da pirólise é a geração termoelétrica. Estes óleos apresentam a vantagem

de armazenamento e do transporte, no entanto, com respeito aos combustíveis fósseis,

os óleos pirolíticos apresentam-se menos vantajosos, devido a suas piores propriedades

para a combustão.

SISTEMA DE

REFRIGERAÇÃO

DE GASES

ENTRADA DE

BIOMASSA

FORNO

LAMBIOTE

FRAÇÕES

PIROLENHOSAS

PARA

DESTILAÇÃO

GERAÇÃO DE

CALOR

SAIDA DE CARVÃO

VEGETAL

O grande problema para a adaptação na combustão está na necessidade de

reformar os atomizadores comerciais atuais e configurar os sistemas de combustão

adaptados a seu poder calorífico, densidade e velocidade de combustão. Além de

requerer sistemas prévios de limpeza, principalmente com o objetivo de eliminar

alcatrões, ceras e metais, por processos como o “Upgrading”, é possível obter, a partir

dos líquidos pirolíticos, um composto hidrocarboneto muito similar à gasolina. Num

futuro, espera-se o desenvolvimento e implantação deste tipo de aplicação [Circe,

2005].

• Geração de produtos gasosos:

Tem-se por finalidade a produção de um gás adaptável à geração térmica. A

vantagem é obter gases com elevados poderes caloríficos (3000 a 4000 kcal/kg)

frente aqueles gases procedentes do processo de gaseificação (aproximadamente

1500 kcal/kg). Isto traz vantagens na hora de adaptar estes gases para grupos

geradores, por sua maior semelhança aos combustíveis fósseis utilizados

atualmente, assim como na hora de armazená-los e na redução dos custos de

limpeza [Circe, 2005].

b.2. Condições de operação e tipos de pirólises:

Para uma mesma biomassa se podem obter diferentes produtos em função do

modo em que se realizem os processos de pirolização. As principais variáveis a

considerar são:

- Velocidade de aquecimento

- Tempo de residência

- Temperatura

- Pressão

Uma variável muito importante é a velocidade de aquecimento, cujos valores

fazem que o processo de pirólise seja dividido em vários tipos, começando desde a

pirólise convencional (baixa velocidade de aquecimento), pirólise rápida e pirólise

flash (com alta velocidade de aquecimento). Uma qualificação do processo de pirólise

em função da velocidade de aquecimento é apresentada na tabela 2.4.

Tabela 2.4. Tecnologias de pirólise da biomassa [Bridgwater, 1992]

Pirólises Tempo de

residência

Velocidade de

aquecimento

Pressão

(bar)

Temp.

(ºC)

Produto

Principal

Carbonização

Horas – dia Muito baixa 1 400 Sólidos

Convencional

5 a 30 min Baixa 1 600 Todos

Rápida

0,5 a 5 seg Muito alta 1 650 Líquido

Flash –

Liquido

< 1 seg Alta 1 < 650 Líquido

Flash – Gás

< 1 seg Alta 1 > 650 Gás

Ultra

< 0,5 seg Muito Alta 1 1000 Gás

Vácuo

2 – 30 seg Media < 0,1 400 Líquido

A velocidade de aquecimento e o tempo de residência estão ligados de forma

inversamente proporcional, no entanto possuem certa independência. Ou seja se gera

grande quantidade de produtos voláteis (gases e líquidos) com altas velocidades de

aquecimento, já que em temperaturas elevadas estão favorecidas as reações de

craqueamento gerando um aumento do rendimento de geração dos gases. Em

temperaturas intermediarias, um aumento da velocidade de aquecimento origina

maiores quantidades de alcatrão.

c. GASEIFICAÇÃO

A gaseificação é um processo termoquímico pelo qual se transforma a biomassa

num gás combustível (gás sínteses), mediante oxidação parcial com ar, oxigênio ou

vapor de água a altas temperaturas, tipicamente, na faixa de 800-900 °C. Este gás cujo

poder calorífico se situa entre 4 – 6 MJ/Nm

, pode ser queimado diretamente ou usado

como combustível para motores de combustão interna e turbinas a gás. Trata-se de

uma operação que poderia se considerar intermediária entre a “pirólise”, processo de

decomposição térmica em atmosfera inerte, e a “combustão”, na que se produz a

reação em presença de uma atmosfera oxidante, o ar (oxigênio) [Arauzo, 1999].

A gaseificação é vista como método de aproveitamento dos resíduos

lignocelulósicos, e oferece uma grande versatilidade com diferença da combustão, já

que este último método só tem como objetivo a obtenção de energia. No próximo

capitulo se abordará com detalhe a gaseificação de biomassa.

CAPITULO 3

TEORIA DA GASEIFICAÇÃO

3.1. INTRODUÇÃO

A gaseificação transforma um material sólido em gás susceptível de ser

aproveitado como combustível ou em matéria prima (metano, amoníaco, metanol,

gasolina). Enquanto a pirólise objetiva principalmente a obtenção de sólidos e em

certas ocasiões a obtenção de líquidos, a gaseificação procura uma elevada produção

de gases, fundamentalmente contendo CO (10 –20 %), H

(4 a 17 %), CH

(2 a 5 %) e

(40 a 60%). Esta diferença de objetivos caracteriza as condições operativas já que a

gaseificação opera em temperaturas superiores as utilizadas na pirólise e na presença

de agentes gaseificantes como o vapor de água para forçar a produção de H

e CO. A

gaseificação é portanto uma reação heterogênea do tipo gás – sólido. Estão presentes

como agentes gaseificantes: o ar, o oxigênio, dióxido de carbono, vapor de água ou a

mistura entre eles em função do objetivo do processo [Van Belle, 1998].

O objetivo principal da gaseificação é a conversão de biomassa em um gás

combustível, através de sua oxidação parcial a temperaturas elevadas. Este gás

conhecido como gás pobre é um energético intermediário, e poderá ser empregado

mais adiante em outro processo de conversão a fim de gerar calor, potência mecânica

ou elétrica, adequando-se aos sistemas em que a biomassa sólida não possa ser

utilizada. Este gás combustível possui um poder calorífico relativamente baixo, por

volta de 4 a 6 MJ/Nm

(utilizando ar). Um esquema dos diferentes fluxos que podem

se aproveitar para a valorização energética deste gás é apresentado na figura 3.1.

3.2. PRINCIPIOS BÁSICOS DO PROCESSO

O processo de gaseificação da biomassa é conseqüência de dois sub-processos

fundamentais:

- Pirólise (também chamada decomposição térmica, redução ou volatilização):

Biomassa + Calor = char (coque) + gases

- Gaseificação:

Char + agente gaseificante + calor = gases + cinzas

BIOMASSA

AGÊNTE

GASEIFICANTE

GASEIFICADOR

MOTOR TURBINA CALDEIRA

GASES DE EXAUSTÃO VAPOR

POTÊNCIA CHAMINÉ

ELETRICA

TURBINA DE

VAPOR

Figura 3.1. Diagrama de fluxo e aplicações dos produtos da gaseificação.

Quando a biomassa entra num gaseificador, primeiro se esquenta e produz a

secagem da mesma, uma vez que a temperatura é superior a 400 °C, tem lugar a

GAS DO GASEIFICADOR

pirólise, dando lugar a um resíduo carbonoso (char), formado por carbono

principalmente e gases condensáveis (hidrocarbonatos leves e pesados) e não

condensáveis (CH

, vapor de água, CO, H

, CO

). Quando a temperatura do “char”

supera os 700 °C, tem lugar as reações de gaseificação, que se dividem em reações

heterogêneas (gás – sólido) e homogêneas (gás – gás). Assim este “char” reage com

, vapor de água, CO

, H

e os gases reagem entre si para produzir a mistura de gás

final.

O resultado final do processo é um gás, que tem como constituintes principais

CO, H

, N

, CO

, vapor de água e hidrocarbonatos ou alcatrão (tar). A composição

deste gás varia com as características da biomassa, o agente gaseificante e as

condições do processo. Como as reações de C, H, O para diferentes tipos de biomassa

são muito similares, o principal parâmetro da biomassa que influi na composição do

gás é seu conteúdo de umidade. Assim, com maior conteúdo de umidade na biomassa,

mais agente gaseificante precisa-se, porque a água tem-se que aquecer e evaporar. Um

gás que provenha de uma biomassa úmida contém quantidades relativamente altas de

vapor, H

e N

, comparado com uma biomassa seca. Para uma gaseificação com ar, a

mistura obtida denomina-se gás pobre ou gás de poder calorífico baixo (4000 a 6000

kJ/Nm

) já que contém 40 a 60% de N

. O aporte da água no agente gaseificante é

necessário sim se quer enriquecer o gás com H

, produzindo um gás de poder

calorífico médio [Circe, 2005].

De forma global, a gaseificação termoquímica pode-se classificar dependendo do

tipo de reator (leito fixo concorrente ou em contracorrente, leito fluidizado borbulhante

ou circulante), da pressão de trabalho (atmosférico ou pressurizado), do agente

gaseificante (ar, oxigênio, vapor ou hidrogênio), do sistema de limpeza do gás

convencional (sistema de filtragem a alta temperatura, catalisadores, etc); [Becerra,

1999].

3.3. BASE QUÍMICA

As reações que ocorrem no gerador de gás são as seguintes:

Tabela 3.1a: Principais reações na gaseificação [McKendry (Part III), 2002]

Oxidação parcial

C + ½ O

⇒ CO

dH = - 268 MJ / kg mol

Oxidação completa

C + O

⇒ CO

dH = - 406 MJ / kg mol

Reação de gás de água ou

reação carbono vapor

C + H

0 ⇒ CO + H

dH = + 118 MJ / kg mol

dH: Diferencial de Entalpia

A reação parcial do carbono a monóxido de carbono considera somente cerca de

65% da energia necessária durante a oxidação completa. Outras reações que podem

ocorrer no processo de gaseificação são:

Tabela 3.1b: Principais reações na gaseificação [McKendry (Part III), 2002]

Reação de deslocamento

da Água

CO + H

O ⇒ CO

+ H

dH = - 42 MJ/kg mol

Formação de Metano

CO + 3H

⇒ CH

+ H

dH = - 88 MJ/kg mol

O gás da gaseificação consiste numa mistura de CO, CO

, CH

, H

, vapor de

água. O agente principal gaseificante é geralmente o ar, mas a gaseificação com

oxigênio, vapor de água e hidrogênio, também ocorre. A gaseificação catalítica do

vapor é outro modo de operação que influência o funcionamento total e a eficiência do

processo.

• Gaseificação com Ar: Obtém-se um gás combustível de baixo poder

calorífico inferior (menos de 6 MJ/Nm

). Este gás pode empregar-se como

combustível para queimadores de caldeira, turbinas a gás, ou em motores de

combustão interna. O processo de gaseificação com ar apresenta grande

interesse econômico e social. Neste processo o oxigênio do ar queima

parcialmente o “char” procedente da pirólise e gera-se o calor necessário para o

processo. Por não precisar de uma fonte de calor externa, este processo permite

aproveitar com um baixo custo os diversos resíduos locais agrícolas e florestais.

• Gaseificação com Oxigênio: Produz-se um gás com médio poder calorífico

inferior (10 a 20 MJ/Nm

). Tem as mesmas aplicações que o gás de baixo

conteúdo energético, sendo este de maior qualidade por não contar com

nitrogênio. Este processo pode ser também utilizado para obter gás de síntese

para a produção de metanol.

• Gaseificação com Vapor de Água e oxigênio ou ar: Produz-se um gás que ao

estar enriquecido com H

e CO, se pode utilizar como gás de síntese para

produzir metanol, amoníaco ou gasolina.

• Gaseificação com H

: Produz-se um gás de alto PCI (mas de 30 MJ/Nm

), o

qual por ter uma alta porcentagem de metano e olefinas; pode se utilizar como

substituto do gás natural. Na tabela 3.2 se apresentam os três tipos de gases

produzidos e seus diversos poderes caloríficos.

Tabela n° 3.2: Poderes caloríficos dependendo do tipo de agente gaseificante

[Nogueira e Lora, 2003]

TIPO PCI (MJ/Nm

) AGENTE GASEIFICANTE

Baixo Poder calorífico

4 – 6 com ar e vapor / ar

Medio Poder calorífico

10 – 20 com Oxigênio e vapor

Alto Poder calorífico

30 com Hidrogênio ou

hidrogenação

Como oxigênio puro para a gaseificação é caro, o ar é normalmente usado para

processos que requerem acima de 50 MW térmicos; a desvantagem é que o nitrogênio

diluído no ar, diminui a eficiência do processo de conversão. (Vide tabela 3.3).

Embora o gás produzido possua um poder calorífico relativamente baixo (quando

da utilização do ar) e também pelo fato de existir perdas energéticas na gaseificação,

em diversas situações, a gaseificação apresenta algumas vantagens em comparação

com a combustão direta.

Tabela 3.3: Principais agentes gaseificantes. Adaptado de [Nogueira e Lora, 2003],

[McKendry (Part III), 2002]

Agente gaseificante Oxigênio Vapor de Água Ar

Pressão de operação

Pressurizado Atmosférica Atmosférica

PCI (MJ/Nm

)

8 – 15 10 – 20 4 - 6

Aplicação

Produção de potência ou combustíveis

líquidos sintéticos (metanol, amoníaco,

gasolina)

Produção de

potencia

Por exemplo, é possível a combustão do gás em motores de combustão interna,

projetados originalmente para combustíveis líquidos e gasosos, sem grandes

modificações do motor e sem redução significativa da eficiência. Isto é muito

importante quando se pretende converter sistemas convencionais, que utilizam

combustíveis fósseis, em sistemas adaptados para biomassa. Assim, também a geração

de eletricidade em pequena escala pode ser realizada utilizando o gás de biomassa

diretamente em um motor de combustão interna ou numa micro turbina a gás ou célula

de combustível. Estes sistemas são interessantes devido a sua simplicidade de

operação e manutenção, adequando-se como sistemas isolados, exatamente onde a

biomassa possa ser eventualmente fornecida a custos competitivos ou a custo de

produção [Nogueira e Lora, 2003].

3.4. PRODUTOS DA GASEIFICAÇÃO

Segundo Nogueira e Lora (2003), os produtos da combustão da biomassa com o

ar são: CO

, SO

e H

O; no caso de uma oxidação completa, o conteúdo de enxofre da

biomassa é sempre baixo; N

e eventualmente a umidade do combustível e do ar

no caso de uma combustão com excesso de ar; CO, H

, CH

, fuligem no caso de uma

combustão incompleta ou com insuficiência do ar; e frações minerais contidas nas

“cinzas”. CO e CO

são os produtos de maior interesse pelo fato de ser o primeiro

nocivo para o ser humano e o segundo o principal responsável do efeito estufa

respectivamente. A figura 3.2.a e 3.2.b apresentam as porcentagens destes dois gases

com relação à temperatura de combustão e ao coeficiente de excesso de ar. [Harel e

Baquant, 1992] . O combustível neste caso foi o bagaço de cana. No processo real,

para se obter valores mínimos de CO nos produtos de combustão, devem-se

estabelecer um excesso de ar de 1,3, mesmo assim, observa-se a redução da

temperatura de combustão e do teor de CO

Figura. 3.2a. Variação da temperatura de combustão e das concentrações de CO e CO

com o coeficiente de excesso de ar em combustão real [Harel e Baquant, 1992].

Os gases produtos da gaseificação da biomassa, como já foi mencionado, podem

conter poluentes tais como; material particulado, alcatrão, metais alcalinos, sulfito de

hidrogênio e amônia. Para nosso caso, onde o gás produzido será introduzido em um

motor de combustão interna, Kaltchmitt e Hartmann (2001), Hassler e Nussbaumer

(1999) e Jenbacher (1998) recomendam os seguintes teores: particulados menores que

50 mg/Nm

, alcatrões menores que 100 mg/Nm

, NH

menor que 55 mg/Nm

, H

menor que 1150 mg/Nm

; as dimensões das partículas devem estar na faixa de 3 a 10

µm. Kaltchmitt e Hartmann (2001) apresentam uma composição volumétrica do gás

pobre ou gás síntese obtido em diferentes tipos de gaseificadores e diferentes agentes

de gaseificação, Tab. 3.4.

Figura 3.2b. Variação da temperatura de combustão e das concentrações de CO e

com o coeficiente de excesso de ar. numa combustão teórica

[Harel e Baquant., 1992].

3.5. APLICAÇÕES DO GÁS PRODUTO DO PROCESSO DE GASEIFICAÇÃO

A combustão do gás produto da gaseificação pode ter diversas aplicações. As

mais importantes são:

• Calefação: Produção de calor para usos industriais, calefação municipal, em

hotéis, etc.

Tabela 3.4. Composição volumétrica típica do gás de diferentes tipos de gaseificadores

[Kaltschmitt e Hartman, 2001]

Gaseificador Atmosférico

Componente

Ar (%) Vapor (%)

Gaseificador

pressurizado com ar

(5 – 20 bar) (%)

12,5 38,1 4,0 – 15,0

16,3 28,1 10,0 – 19,0

13,5 21,2 14,0 – 19,0

4,4 8,6 5,0 – 9,0

1,2 3,0 -

52,0 0 45,0 – 60,0

• Eletricidade: Geração e/ou cogeração (MCI, motores stirling, motores de vapor,

turbinas de vapor (de pequena escala), GICC, célula a combustível

(hidrogênio)).

• Produtos químicos: Amoníaco, gás de síntese, etileno.

• Transporte: H

, metanol, gasolina, diesel.

Os gases obtidos na gaseificação de biomassa com o ar podem conter alcatrão e

partículas sólidas. A quantidade permitida destes poluentes no gás depende do uso

final do mesmo e do equipamento utilizado na sua obtenção. Assim, se o gás do

processo vai ser utilizado numa turbina, num MCI ou como gás de síntese, o gás tem

que passar por uma etapa previa de limpeza. Na verdade o alcatrão pode ser

consumido em qualquer equipamento, além de incrementar o poder calorífico do gás.

No entanto se não estiver nos limites estabelecidos, pode causar problemas

significativos devido a sua condensação e deposição, provocando estragos nas

tubulações e mau funcionamento nos aparelhos de aproveitamento do gás. Alem disso,

a sua combustão pode produzir problemas de corrosão devido à alta porcentagem de

compostos oxigenados.

O alcatrão pode-se apresentar no gás na forma de gotas líquidas, como no caso

dos gaseificadores de leito fixo a contracorrente, onde a temperatura de saída do gás é

baixa, ou na fase de vapor, como no caso dos gaseificadores de leito fluidizado ou de

leito fixo concorrente (downdraft), onde a temperatura de saída do gás é elevada. A

quantidade presente destes poluentes no gás combustível pode ser muito variada.

Num MCI, o gás tem que ingressar com baixa temperatura relativa podendo gerar

condensados que levam ao bloqueio do motor. No caso dos ciclos de gaseificação

integrada com um ciclo combinado GICC, o gás produto deve ser tratado amplamente

para eliminar as partículas e alcatrão antes do seu ingresso na turbina a gás,

necessitando desenvolver sistemas de limpeza a baixa e alta temperatura como são os

filtros cerâmicos, reatores catalíticos e os lavadores úmidos (wet scrubbers) [Becerra.,

1999].

Quando o gás produzido aplica-se à produção de calor ou eletricidade, o processo

de gaseificação tem que competir com o processo de combustão direta, mas mesmo

assim, a gaseificação com respeito à combustão direta apresenta uma serie de

vantagens, como é o caso da geração de eletricidade de pequeno porte com a

combustão direta do gás em MCI.

3.6. A EVOLUÇÃO DA GASEIFICAÇÃO

Desde 1990, tem-se tido grande interesse pela demonstração de ciclos avançados

de geração de energia baseados em tecnologias de gaseificação de biomassa.

Precisamente um conceito inovador foi a gaseificação integrada num ciclo combinado

tanto para a biomassa, BIGCC, como para o carvão, GICC, onde as turbinas a gás

transformam o combustível gasoso em eletricidade com elevada eficiência na

conversão total, principalmente nos ciclos GICC e nos ciclos de turbina com ar quente

(HATC). Este interesse tem sido ainda refletido em projetos de demonstração que se

está executando no Brasil, Estados Unidos e a União Européia. Estes avançados

sistemas têm eficiências entre 35 e 40%, e com custos mais baixos de produção de

eletricidade que os sistemas convencionais de combustão direta [Becerra, 1999].

3.6.1. O CASO DO CARVÃO

Por muitos anos, o governo e a indústria têm trabalhado para desenvolver o

conceito da gaseificação do carvão de uma maneira limpa que possa integrar a

gaseificação e um ciclo combinado alcançando grandes eficiências; isto se torna viável

por intermédio de um ciclo GICC.

No começo do século XIX a gaseificação de carvão já era usada para a produção

de gás, empregado para aquecimento e iluminação das cidades. Posteriormente, a

gaseificação foi amplamente utilizada para a síntese de produtos químicos como

amônia, uréia, metanol e gasolina. Recentemente, tem alcançado grandes atrativos para

a aplicação da gaseificação do carvão na geração de eletricidade em ciclos

combinados, devido ao fato desta tecnologia tornar possível o uso do carvão como

combustível nas modernas centrais de ciclo combinado, de forma limpa e eficiente.

Dados de 2003 indicavam a existência de mais de 130 usinas de gaseificação

com uma capacidade de gaseificação superior aos 400 milhões de Nm

de gás de

síntese ao dia, equivalentes a mais de 43000 MW. A maioria destas instalações está

situada na Europa ocidental, no litoral do pacífico, África, e América do Norte

[Treviño, 2003].

Dados indicam que até o ano 2008, 33 usinas adicionais com 48 gaseificadores

sejam construídas agregando outros 18.000 MW de capacidade. Fig 3.3. A maioria

deste crescimento ocorrerá nos países em desenvolvimento no litoral do pacífico,

como necessidade de eletrificação adicional destas economias. Espera-se que a

segunda área maior de crescimento esteja na Europa ocidental, onde as refinarias

necessitarão utilizar completamente a matéria básica disponível, enquanto reduzem-se

as produções do petróleo. O crescimento na América do Norte será a metade da

Europa e será concentrado na industria da refinação. Muito pouco ou nada de

crescimento se antecipa para ocorrer nas outras regiões do mundo.

Figura 3.3. Produção de gás sínteses nas ultimas 3 décadas [Stiegel, 2001],

[Treviño, 2003]

3.6.2. O CASO DA BIOMASSA

Enquanto a gaseificação de carvão se justifica para potências acima de 300 MW,

a gaseificação de biomassa usando especificamente a madeira e/ou resíduos florestais

lignocelulósicos, se justifica para potências entre 30 a 50 MW; especialistas no tema

afirmam que usinas com potências abaixo de 20 MW, não são economicamente

viáveis [Henk De Lange, 2001]. A maioria das usinas com este tipo de tecnologia se

encontram em etapas demonstrativas como veremos mais adiante, sendo que na

maioria delas os resultados tem sido satisfatórios.

A gaseificação integrada com centrais de ciclo combinado (BIGCC) oferece

eficiências elevadas e convenientes para o desenvolvimento da geração

descentralizada de eletricidade (geração distribuída). Existem atrativos particulares

devido à distribuição natural de plantações da biomassa e os custos relativamente altos

de transporte para estas instalações descentralizadas. Em longo prazo é possível que a

tecnologia BIGCC conduza à gaseificação para o uso em células a combustível,

principalmente para aquelas que operam em elevadas temperaturas. A tecnologia

BIGCC, está atualmente na etapa pre-comercial de demonstração. A seguir apresenta-

se um descritivo de algumas espalhadas pelo mundo.

Suécia: Central de cogereção de Varnamo, que utiliza um gaseificador Alhstrom

de leito fluidizado circulante pressurizado operando com temperatura de 1000 °C e

pressão de 22 atm, usando resíduos de madeira; com turbina a gás tipo EGT/Typhoon,

a planta produz 6 MW de potência elétrica e 9 MW de potência térmica com uma

eficiência elétrica de 32 % e uma eficiência global de 83%, considerando o

aquecimento distrital da cidade; esta central foi construída pela companhia Bioflow

junto com a empresa Sueca SydKraft S.A e a provedora de tecnologia de gaseificação

Foster Wheeler S.A; o programa de demonstração foi satisfatória e atualmente esta em

fase de otimização [Ståhl et. al., 1998].

Reino Unido: Central Elétrica de Yorkshire, localizado em Eggborough próximo

da cidade de York, desenvolvido por First Renewables Ltd (UK) e TPS – Termiska

Processer AB da Suécia; utiliza um gaseificador atmosférico circulante, com

tecnologia TPS a base de madeira e neste caso também o gás alimenta um ciclo

combinado. Esta usina requer aproximadamente 43000 t de madeira seca por ano e

uma área de 1500 a 2000 hectares para o cultivo da metade da madeira que precisa.

Nesta usina, a HRSG utiliza um queimador suplementar a base de lenha. A usina

foi comissionada no ano 2001 e a integração total realizou-se em 2006. Este projeto é

conhecido pelo nome de ARBRE – Arable Biomass Renewable Energy com uma

potência elétrica de 10 MW; o sistema trabalha com uma turbina a gás tipo

EGT/Typhoon, a uma temperatura do leito de 900 °C e pressão de 1,5 atm. Planeja-se

a construção na Grã-Bretanha de uma série de centrais, com potências de 35 MW e

eficiências cerca de 50% para o ano 2010 [Henk De Lange., 2001] [Beenackers e

Maniatis., 1996] e [Pitcher., 2001].

USA: (Burlington, Vermont). Planta Termelétrica com Gaseificador atmosférico

desenvolvido pelo Laboratório Battelle Columbus (BCL) e comercializado por

FERCO S.A. Apresenta como vantagem a obtenção de um gás com maior poder

calorífico, como agente gaseificante, utiliza-se vapor, o que evita o efeito de diluição

do nitrogênio no ar, permitindo uma turbina a gás convencional de potência elétrica de

15 MW, sem muitas modificações [Beenackers e Maniatis, 1996].

Outro projeto nos Estados Unidos situa-se nas Ilhas Hawai; consiste de um

gaseificador pressurizado em leito borbulhante cujo provedor é IGT – RENUGAS;

utiliza bagaço de cana como combustível; potencia elétrica de 5 MW e com uma

eficiência de 30 – 35 % na turbina a gás [Beenakers e Maniatis., 1996].

Itália: (Pisa). O projeto denominado Energy Farm localizado na cidade de Di

Cascina utiliza um gaseificador leito fluidizado circulante com ar atmosférico da firma

LURGI (1,4 atm). Utiliza como combustível a madeira e opera a 800 °C; utiliza uma

turbina a gás tipo EGT/Typhoon com uma potencia elétrica de 11,9 MWe e uma

eficiência de 33 % [www.nf-2000.org].

Dinamarca: Projeto Biocycle TBD com companhia provedora ENVIRO-

POWER; utiliza um gaseificador de Leito Fluidizado Circulante pressurizado (950 °C

a 22 atm) o qual utiliza como combustível madeira. Utiliza uma turbina a gás

EGT/Typhoon; potencia elétrica de 7,2 MW e eficiência de 40 %.

Brasil: O Projeto Demonstrativo "Brazilian Wood BIG-GT” (Biomass Integrated

Gasificator – Gás Turbine) para a geração de eletricidade o qual tem por objetivo

demonstrar a viabilidade comercial assim como a geração de eletricidade a partir da

madeira (plantações de eucalipto), mediante o emprego de uma turbina a gás integrada

à tecnologia de gaseificação, operando em ciclo combinado. Utiliza um gaseificador

atmosférico com uma potencia na turbina de 30 MW, prevista a ser implantada no

estado da Bahia. Como aspecto novo deste sistema, tem-se o reator de craqueamento

do alcatrão presente nos gases utilizando a dolomita (tipo de catalisador). A

companhia Lurgi tem desenvolvido um sistema semelhante. Os detalhes do projeto

podem ser encontrados em, Waldheim et al., (2001).

Bélgica: Projeto BINAGAS cujo provedor é a DINAMEC; utiliza um

gaseificador de leito fluidizado atmosférico; a central tem uma potencia de 0,7 MW

na turbina a gás; o tipo de biomassa utilizada são resíduos florestais [Cervelló, 2002].

Áustria: Projeto TINA cujo provedor é a VOLUND; utiliza um gaseificador de

leito Fixo de corrente ascendente (Updraft); a central tem uma potencia de 2 MW; o

tipo de biomassa utilizada são resíduos florestais [Cervelló, 2002].

Para ter uma idéia do custo de energia destas tecnologias [Bauen et.al, 2001], a

usina Sueca produz energia a um custo de aproximadamente 7 cents US$/kWh e a

usina Britânica (que produz somente eletricidade) aproximadamente 11,5 cents

US$/kWh. Os custos capitais deverão ser reduzidos à metade, uma vez que as

tecnologias BIGCC serão introduzidas em operações comerciais; isto reduziria os

custos energéticos entre 2,3 a 4,5 e 5,2 a 9 centavos US$/kWh para as usinas Suecas e

Britânicas, respectivamente (US$ com referência ao ano 2002).

Segundo Gross et al., (2003), a chave para geração de eletricidade a partir da

biomassa são plantas geradoras altamente eficientes e sobretudo comerciais,

assegurando o fornecimento sustentável de combustível a um custo relativamente

baixo. A tabela 3.5 apresenta um resumo dos principais projetos apresentados e suas

características; locação, financiamento, estado atual, tipo de reator, combustível

utilizado, potência, etc.

Tabela 3.5. Projetos de demonstração da tecnologia de gaseificação aplicado à biomassa vegetal como combustível

[http://www.bioenergy.org.nz, http://www.biomass.org, http://www.agores.org, consultado em Junho 2005)

Nome do

Projeto

BIG - GT TINA BGF BIOFLOW ARBRE VERMONT BINAGAS BIOCYCLE ENERGY

FARM

Locação

Brasil –

Bahia

Graz –

Austria

Hawai – USA Varnamo –

Suecia

Valle

Aire –

Burlington –

USA

Bruselas –

Bélgica

Dinamarca Di

Cascina

Italia

Financiamento

Banco

Mundial

DGXII –

DOE /St.

Haw/pr

Privada DGXVII

– CE

DOE – USA

/Privado

FGXVII –

DGXVII –

Estado

Fase V –

Operação

Comercial

Construção Operação Operação Desenho Posta em

Marcha

Construção Desenho Desenho

Tipo de

Gaseificador

LFC atm Updraft

atm

LF a P LFC a P LFC atm Calor Indireto

atm

LFB atm LFC a P LFC a P

Processo de

Gasificação

GICC

Ciclo

Indireto

GICC/Metanol GICC GICC Gaseificador/TG Ciclo

Indireto

GICC GICC

Tecnologia de

gaseificação

TPS VOLUNT RENUGAS AHLSTROM,

TPS Batelle

Columbus

DINAMEC Enviropower LURGI

Continuação da Tabela 3.5

Condições

Oper. (ºC/bar)

850 – 900

/ 1,5

825/1,0 ND 950-1000/22 850 –

900/1,5

650 – 750

/1,04

850 – 950

/22

800 / 1,4

Combustível

Madeira

/Eucalipto

Resíduos

Madeira/

Florestais

Bagaço Resíduos

Madeira

Esp.

Arbórea

de Curta

Rotação

Biomassa

lenhosa

Resíduos

Madeira

Esp. Arbórea

de Curta

Rotação

Esp.

Arbórea

de Curta

Rotação

Vazão

combustível

(t/h)

16,1 1,8 4,2 4,1 5,75 8,3 0,4 3,5 6,18

Limpeza

Alcatrões

Dolomita

Combustão

direta

Reator

Catalítico

Craque a alta

temp (lecho)

Reator

Catalítico

com

Dolomita

Combustão

Direta

Craque de

Temp. (leito)

Scrubber

água

Limpeza do

gás

Filtro

Mangas /

Scrubber

Ciclone +

Filtro de

alta temp

Filtro

Cerâmico

Filtro

cerâmico

Filtro

Mangas /

Scrubber

Ciclone Filtro

cerâmico

Filtro de

mangas

MWe/MWt

30 /238

GWh/a

2,0 / 4,7 5,0/N.D 6,0 / 9,0 10,0/0 15 / N.D 0,8 / 1,5 7,2 / 6,8 11,9/0

ND: Não Disponível

3.7. CENÁRIO FUTURO DA GASEIFICAÇÃO

A disputa entre as tecnologias existentes e futuras que satisfaçam as normas

ambientais, e mais ainda, aquelas cujo combustível provenha de energias

renováveis, poderão ser as tecnologias que no futuro dominem a geração de

energia.

Segundo Stiegel et al., (2001), para que a tecnologia de gaseificação seja a

escolha correta num cenário futuro, ela deve ter: uma eficiência térmica elevada

(60% para ciclo combinado), ter custos capitais menores que US$ 1000/kWe,

muito pouco ou quase nada de emissões de enxofres e óxidos de nitrogênio, que

possa utilizar todas as matérias primas a base de biomassa ou carvão que se

encontrem disponíveis. De todas as tecnologias atuais em desenvolvimento, as

baseadas na gaseificação são as únicas que têm o potencial para alcançar os

objetivos descritos. Estas tecnologias podem estar configuradas de distintas

maneiras para alcançar os custos e parâmetros citados acima.

Observa-se na figura 3.4 uma ilustração do avanço da gaseificação nas

últimas duas décadas, se refere à integração da gaseificação a um ciclo

combinado para produzir eletricidade, completando a idéia do parágrafo anterior,

para que esta tecnologia seja uma opção para futuro; a nova configuração terá

que incluir: produção (em termos ambientais) de combustíveis para o transporte,

produtos químicos, hidrogênio para aplicações em refinarias e uso em células a

combustível com altas eficiências.

Com o desenvolvimento de tecnologias de remoção de CO

, as grandes

reservas de carvão e matérias primas a base de carvão, a tecnologia da

gaseificação se tornam uma grande opção num cenário futuro, durante a transição

de uma possível economia baseada no hidrogênio para o século 21

Figura 3.4. Opções tecnológicas da gaseificação [Stiegel et al, 2001].

3.8. GASEIFICAÇÃO DE PEQUENO PORTE

Entende-se por gaseificação de pequeno porte aqueles processos que

alcançam potências inferiores a 5 MW. Para estas potências é comum trabalhar

com gaseificadores de leito fixo; potências maiores a 5 MW, já predominam os

gaseificadores de leito fluidizado [Revista Infopower http://www.infopower.es.

consultado em Julho 2005]. Como apresentado na tabela 3.6.

Uma característica do sistema energético dos países em desenvolvimento,

particularmente, nas zonas rurais, é que os motores de combustão interna são

muito empregados em instalações fixas, para produção de energia elétrica,

aquecimento, funcionamento de bombas hidráulicas, etc. Tecnologias de

gaseificação que permitem a utilização de biomassa nestas instalações, são

portanto de muita importância no cenário da geração descentralizada ou

distribuída, permitindo qualidade de vida para populações rurais isoladas de

redes elétricas.

Tabela 3.6. Gaseificadores de leito fixo em operações [Revista Infopower

http://www.infopower.es. consultado em Julho 2005]

Localização Tipo de Planta Capacidade

Instalada

Estado

Hogild,

Dinamarca

Gaseificador Martezo com

motores de gás “Mercedes”

0,5 MWe 220 h. de operação

em 2000, 7000 horas

desde 1994

Harboare,

Dinamarca

Gaseificador de corrente de ar

ascendente com instalação de 2

motores de gás

1,5 MWe Operação desde 1993

em produção de

calor, 900 h de

produção de

eletricidade

Espenhaim,

Alemanha

Gaseificador Jush, com sistemas

de limpeza dos gases

1 MWe Em operação

Londonderry,

Irlanda

Gaseificador de corrente de ar

descendente.

Combustível: Cultivos

energéticos

0,1 MWe Em operação

Áustria

Gaseificadores de madeira

Gruebl

0,05 MW Em operação, grande

quantidade de sítios

Suiza

Gaseificador Pyroforce de alta

temperatura

0,2 MW Inicio dos testes em

2000

Segundo Ghosh. et al., 2004, a título de explicação, uma comunidade na

Índia de 10000 habitantes utiliza um gaseificador tipo Donwdraft e um motor de

165 HP de potência para geração de eletricidade usando madeira; nesta

comunidade a porcentagem de crescimento anual de estabelecimentos comerciais

incrementou-se de 1,8% em 1996, para 7,2 % em 1999.

Para países em desenvolvimento, segundo o estudo realizado pela ONU

[Forest Industries Division, 1993] o futuro da gaseificação de pequeno porte,

utilizando resíduos lignocelulósicos para alimentar motores de combustão interna

para a geração de eletricidade em instalações estacionárias, depende sobre tudo

de que existam iniciativas dos governos para promover esta tecnologia, com a

finalidade de substituir com biomassa os combustíveis derivados do petróleo. No

caso dos países industrializados, não parece ter um futuro imediato para a

gaseificação de pequeno porte, visto que estes sistemas somente podem ser

econômicos em circunstâncias especiais, como nas indústrias com excesso de

biomassa.

Em 1983 o Banco Mundial iniciou o “Programa de monitoramento de

gaseificadores de pequena escala para biomassa”. Numas das conclusões do

referido programa, afirmava-se que os gaseificadores de biomassa não eram uma

opção economicamente atrativa para geração de potencia [Stassen, 1995], mas

isto era considerando o preço do barril de petróleo que oscilava nessa época entre

15 a 20 US$ por barril.

Considerando que o preço do barril de petróleo está hoje em US$ 66,10

[http://www.opec.org/home, consultada em Maio 2007] e conforme este valor se

incremente, a atratividade para esta tecnologia de pequeno porte seguirá

aumentando; mesmo assim autores do programa consideram uma eficiência

média do sistema de gaseificador – MCI, inferior a 13 %, mas nos últimos anos

tem-se conhecido sistemas que atingem valores superiores a 20% [Ghosh et al.,

2004] e [Rabou e Jansen, 2001]. Por último, a substituição do Diesel pelo gás em

sistemas de cogeração atinge atualmente valores de eficiência global entre 50 e

70% [Ghosh et al., 2004] e [Raja et al., 1997].

CAPITULO 4

TIPOS DE GASEIFICADORES

Os gaseificadores para biomassa são atualmente equipamentos com uma

grande diversidade tecnológica e podem ser classificados de distintas maneiras,

embora a classificação tradicional envolva só dois tipos de gaseificadores, os de

leito fixo e os de leito fluidizado [Nogueira e Lora, 2003]; além desta

classificação tradicional podemos classificá-los também de acordo com os

seguintes parâmetros:

Segundo o poder calorífico do gás produzido:

- Gás de baixo poder calorífico: até 5 MJ/Nm

- Gás de médio poder calorífico: de 5 - 10 MJ/Nm

- Gás de alto poder calorífico: de 10 a 40 MJ/Nm

Segundo o tipo de agente gaseificante:

- Ar

- Vapor de água

- Oxigênio

Segundo a pressão de trabalho:

- Baixa pressão (atmosférica)

- Pressurizados (até 3 MPa).

Segundo a direção do movimento relativo da biomassa:

- De corrente ascendente, tiro direto, Updraft (contracorrente)

- De corrente descendente, tiro invertido, Downdraft (concorrente)

- De tiro transversal (fluxo cruzado)

- Leito fluidizado. (Borbulhante ou Circulante)

4.1. GASIFICADORES DE LEITO FIXO

4.1.1. GASEIFICADORES DE CORRENTE ASCENDENTE, TIRO

DIRETO OU CONTRACORRENTE (UPDRAFT GASIFIER)

O gaseificador mais antigo e mais usado é o chamado de Tiro Direto ou

Gaseificador Ascendente, apresentado na figura 4.1. Neste caso, o ar ingressa

pelo fundo e os gases produzidos são coletados próximos ao topo do

gaseificador´; no fundo após a região de ingresso do ar, tem-se lugar as reações

de combustão. Mais acima ocorrem as reações de redução.

Na figura 4.1 podemos observar claramente as temperaturas de cada etapa

da gaseificação. No topo do gaseificador tem lugar o aquecimento e a pirólise da

carga (biomassa), como resultado da transferência de calor por convecção

forçada e radiação das regiões inferiores.

O alcatrão e produtos voláteis produzidos no processo são levados pela

corrente de gás. A temperatura na zona da gaseificação é controlada agregando

vapor de água ao ar, ou humidificando o ar. Devido à baixa temperatura do gás

que sai do gaseificador, o rendimento energético total do processo é alto, mas o

conteúdo de alcatrão no gás também; para este tipo de gaseificador o teor de

alcatrão varia entre 10.000 e 100.000 mg/Nm

. Quanto às partículas, (material

particulado) estas variam entre 100 e 1000 mg/Nm

[Guigon e Large, 1990]. O

efeito de filtragem da alimentação ajuda a produzir um gás com baixo teor de

partículas.

As principais vantagens deste tipo de gaseificador são a simplicidade, alta

porcentagem de carbono vegetal queimado, troca de calor interno que faz com

que a temperatura do gás seja menor, alta eficiência térmica do sistema, assim

como a facilidade de trabalhar com qualquer tipo de carga. (cascas de cereais,

serragem, etc)

Figura 4.1. Gaseificador de corrente ascendente ou de tiro direito [Forest

Industries Division, 1993] [McKendry (Part III), 2002].

A principal desvantagem é a necessidade de se instalar grelhas de

movimento automático. Existem ainda problemas relacionados com a eliminação

dos líquidos condensados que contém alcatrão, que é produto das operações de

depuração do gás, esta eliminação torna-se necessária para sua utilização em

motores de combustão interna.

4.1.2. GASIFICADORES DE CORRENTE DESCENDENTE, TIRO

INVERTIDO OU CONCORRENTE (DOWNDRAFT GASIFIER)

Como resposta ao problema do arraste de alcatrão com a corrente do gás,

projetaram-se os Gaseificadores de Corrente Descendente ou de Tiro Invertido,

nos quais o ar da primeira gaseificação ingressa na região de oxidação do

gaseificador ou por acima desta. O gás sai pelo fundo do equipamento, como

apresentado na figura 4.2.

Estes gaseificadores conhecidos também como “Downdraft” apresentam

um fluxo da biomassa e do gás no mesmo sentido. O material a gaseificar forma

um leito de partículas que descem lentamente conforme estas vão sendo

consumidas pelo processo, e a correspondente operação de retirada de cinzas. O

espaço livre entre as partículas é ocupado pelo gás gerado no processo e o agente

gaseificante, os quais circulam no sentido descendente até a saída dos gases que

se encontra na parte inferior do equipamento.

Basicamente apresentam-se duas configurações, os “Open – Core”, e

aqueles que têm uma espécie de garganta “Throat”. Esta última categoria é a

mais difundida.

Figura 4.2. Gaseificador de Corrente Descendente ou de Tiro Invertido

(Tipo Garganta), [Forest Industries Division, 1993 e McKendry (Part III), 2002].

No tipo “Open – Core”, tanto a biomassa como os agentes gaseificantes

entram pela parte superior do gaseificador sem apresentar variações significativas

de diâmetro ao longo do seu corpo. É complexo delimitar suas regiões podendo-

se considerar que se encontra dividido em duas partes. Uma região na parte

superior de pirólise / combustão, e outra de gaseificação do resíduo carbonoso na

parte inferior. Por outro lado, nos gaseificadores downdraft tipo garganta podem-

se distinguir 4 regiões, conforme a biomassa desce: a região de secagem, a região

de pirólise, a região de oxidação e a região de redução (gaseificação).

Quando a biomassa entra no gaseificador pela parte superior, a mesma ao

descer sofre os seguintes processos: Aquece-se até 200 °C produzindo a secagem

completa desta, conforme continua descendo, a partir dos 250 °C inicia-se o

processo de pirólise gerando gás, alcatrão e um resíduo carbonoso (char). Dado

que a pirólise ocorre lentamente a temperaturas baixas, a fração de biomassa

convertida em alcatrão é muito alta. A seguir aparece a região de oxidação, onde

se produz a injeção do agente gaseificante (ar ou oxigênio). Este reage

rapidamente com os gases combustíveis procedentes da pirólise, elevando a

temperatura nessa região em níveis de 1000 a 1200 °C; estas elevadas

temperaturas favorecem o fracionamento (craking) dos alcatrões presentes.

Finalmente se atinge a região de “redução”, onde se produz a gaseificação do

“char” por parte do CO

e o vapor de água presentes no gás produto, o qual

retifica a sua composição conforme ocorre o equilíbrio gasoso do conjunto de

reações que têm lugar a temperaturas ao redor de 700 ° C. Desta região sai uma

corrente final do gás, uma corrente de cinzas e restos de “char” sem gaseificar.

a. SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO

Dado que a alimentação destes gaseificadores realiza-se pela parte superior,

é preciso um sistema de elevação da biomassa até o ponto de alimentação. Este

sistema permite o fluxo do material com uma ampla granulométrica. Para se

conseguir uma alimentação relativamente continua e garantir o fechamento

hermético necessário para evitar a saída dos gases, faz-se a utilização de uma

câmara intermediária cilíndrica delimitada por válvulas.

b. CORPO DO GASEIFICADOR

Em geral o corpo do gaseificador é de forma cilíndrica e apresenta as

seguintes características: resistência térmica para elevadas temperaturas,

resistência estrutural, resistência à fricção e isolamento térmico do interior.

Como não é fácil conseguir com um só material todas estas características,

os gaseificadores são construídos com diferentes materiais. Uma camada de aço

que lhe dá a resistência estrutural, uma capa de isolante térmico e uma capa de

cimento refratário que o isola termicamente e oferece uma resistência mecânica

interna requerida. Um bom controle do processo de gaseificação é realizado

mantendo um adequado perfil de temperatura ao longo do gaseificador.

Dado que a região da garganta é crucial para se conseguir um gás livre de

alcatrão, deve-se ter cuidado ao se projetar um gaseificador deste tipo, por

exemplo, uma inclinação adequada em torno a 45 °C, facilita o deslizamento da

biomassa e permite delimitar as regiões de pirólise, oxidação e redução. Por

outro lado a área de entrada da garganta determina entre outros fatores a

capacidade de processamento da biomassa. Nos gaseificadores tipo “downdraft”

o parâmetro utilizado para o desenho da garganta é a sua “capacidade específica”

que varia entre 0,1 e 0,7 kg/h.m

[Arauzo, 1999].

A distribuição uniforme do agente gaseificante (ar) ao longo da superfície

da garganta, representa outro ponto chave no projeto do corpo do gaseificador.

Deve-se dispor de um número suficiente de entradas de ar que garantam a boa

introdução do fluxo. Neste aspecto tem grande importância a granulométrica da

biomassa já que partículas muito pequenas dificultam a entrada do ar.

Outro elemento é a grelha onde se encontra sustentada toda a biomassa

submetida ao processo de gaseificação. A grelha permite uma correta evacuação

das cinzas e restos de “char” sem gaseificar. A velocidade com que os sólidos

(cinzas) são retirados permite calcular o tempo de residência dos mesmos dentro

do gaseificador. Tem-se então um compromisso entre o aproveitamento térmico

do resíduo carbonoso e a retirada de cinzas do gaseificador em função da

capacidade de processamento. Finalmente o gaseificador deve ter um sistema de

retirada de cinzas que evite a sua acumulação na parte inferior.

Do exposto, pode-se dizer que os gaseificadores tipo “downdraft” são

adequados em cenários onde se deseja uma geração de energia descentralizada

para pequenos núcleos de população ou pequenas indústrias que atingem

potencias até 0,5 MW e com a possibilidade de utilizar o gás simultaneamente

para fins térmicos ou de geração de eletricidade, permitindo uma relativa

flexibilidade na biomassa utilizada assim como um fácil manejo.

4.1.3. GASEIFICADORES DE TIRO TRANSVERSAL

Este tipo de gaseificador é uma adaptação para o uso de carvão vegetal

como combustível. A gaseificação do carvão vegetal ocorre em altas

temperaturas (maiores que 1500 °C) na região de oxidação; isto pode acarretar

problemas estruturais. Nos gaseificadores de Tiro Transversal, o próprio

combustível (carvão vegetal) é o isolamento térmico, Fig. 4.3.

A alimentação é realizada pela parte superior do equipamento com direção

descendente; o ar é introduzido de um lado e os gases são retirados do lado

oposto e no mesmo nível. A região da fornalha fica perto da entrada do ar; as

regiões de pirólise e secagem se encontram localizados um pouco mais na parte

superior. As cinzas são removidas pela parte inferior e a temperatura que atingem

os gases de saída se situam entre 800 a 900 °C, o que resulta num baixo

rendimento energético total para o processo, e num gás com alto conteúdo de

alcatrão, necessitando de se empregar um carvão vegetal de alta qualidade (baixo

conteúdo de produtos voláteis).

As vantagens do sistema é poder trabalhar em pequena escala, o que pode

tornar viáveis instalações inferiores a 10 kW (potência de eixo); isto por que a

instalação de depuração do gás é muito simples (só precisa de um ciclone e um

filtro quente). No caso do alcatrão e material particulado este tipo de gaseificador

apresenta um teor parecido ao do tipo concorrente (Downdraft)..

4.1.4. OPERAÇÃO E PERFORMANCE DOS GASEIFICADORES DE

LEITO FIXO

Como já mencionado, em geral estes gaseificadores tem a vantagem de uma

construção simples, mas a desvantagem é a produção de um gás com baixo poder

calorífico e alto conteúdo de alcatrão. A composição típica do gás neste tipo de

gaseificadores é a seguinte: 40 a 50% de N

, 15 a 20% de H

, 10 a 15% de CO

, 3

a 5% de CH

, com um poder calorífico em geral de 4 a 6 MJ/Nm3 [McKendry.,

2002].

Figura 4.3. - Gaseificador de tiro transversal [Zanzi, 1996].

É importante ressaltar que num leito fixo, a pirólise tem lugar numa região

de relativamente baixa temperatura (300 a 400 °C) formando-se muitos produtos

líquidos, principalmente alcatrão. No caso de ser operado com um fluxo a

contracorrente, estes líquidos serão arrastados pelo gás até regiões de menor

temperatura e fora do gaseificador. Em conseqüência, o gás obtido teria muito

alcatrão e poeira; por isso neste caso seria necessária a sua purificação antes de

ser usado como combustível em MCI. Não entanto este gás pode ter aplicações

diretas na secagem de materiais e na geração de vapor em caldeiras.

Com o fluxo de correntes paralelas apresenta-se uma quarta região no reator

“região de redução” que permite obter maiores quantidades de CO e CH

no gás

produto, aumentando o conteúdo energético deste. Este gás pode ser também

usado diretamente (devido à elevada temperatura na sua saída) em queimadores

de caldeiras e turbinas a gás, ou se resfriado previamente utilizado em MCI.

4.2. GASEIFICADORES DE LEITO FLUIDIZADO

A tecnologia de leito fluidizado se pôs em marcha na escala comercial na

década de 80. Ahlstrom Corporation, da Finlândia desenvolveu e colocou em

operação 4 gaseificadores chamados “Pyroflow“ onde se utilizou como

combustíveis resíduos lenhosos submetidos a uma etapa de pré-secagem para

obter um combustível com umidade abaixo de 15%. Os 4 gaseificadores foram

aplicados em fornos rotativos de pedra calcária com potências que vão desde 15

até 35 MW [Becerra, 1999].

O funcionamento dos gaseificadores de tiro direto e de tiro invertido

(Updraft e Downdraft respectivamente) é afetado pelas propriedades

morfológicas, físicas e químicas dos combustíveis. Os problemas mais freqüentes

são a formação de escória e a excessiva queda de pressão no gaseificador. Um

sistema que permite eliminar estes problemas é o gaseificador de leito fluido, que

é ilustrado na figura 4.4; este tipo de gaseificador tem sido usado extensamente

para a gaseificação de carvão há vários anos e suas vantagens sobre os

gaseificadores de leito fixo têm a ver com a temperatura uniforme que se atinge

na região de gaseificação.

Explicando mais detalhadamente, neste tipo de sistema o ar ingressa através

de um leito de partículas sólidas com velocidade suficiente para mantê-las em

suspensão. O leito é aquecido e quando alcança uma temperatura elevada, as

partículas do combustível são introduzidas e rapidamente alcançam a temperatura

do leito. Como resultado deste processo, o combustível é pirolisado rapidamente,

resultando um produto com uma quantidade elevada de materiais gasosos. Na

fase de gás, ocorre uma nova gaseificação e reações de transformação do

alcatrão. Muitos destes equipamentos têm um ciclone interno, com a finalidade

de reduzir ao mínimo o escape de alcatrão. Partículas de cinza são transportadas

também para a parte superior, na saída do gás, o que normalmente exige um

equipamento de filtragem [F.I.D, 1993] [Circe, 2005].

Os gaseificadores de leito fluidizado têm capacidades mais altas, eficiências

mais elevadas e maior flexibilidade de uso de matéria base (biomassa) do que

aqueles gaseificadores de leito fixo [Williams et al., 1993]. Precisamente esta

habilidade de manejar uma ampla variedade de combustíveis de biomassa com

um mínimo de modificação no processo, tem feito ultimamente desta tecnologia

a mais utilizada para muitas aplicações. As vantagens de alta pressão são

evidentes para instalações de maior potência na faixa de 50 – 80 MW

[Blackadder et al., 1993].

O controle da qualidade do gás é sempre mais problemático nestes

gaseificadores de leito fluidizado por duas razões: Primeiro, devido às altas

temperaturas existentes no gaseificador (800 a 900 °C), alguns alcalinos se

apresentaram na fase de vapor; neste caso é muito provável que se requeira um

resfriador de gás para condensar tais alcalinos. Isto conseqüentemente aumentará

o custo total do equipamento. Segundo, há muitas mais sobras de partículas

(desperdício) com este tipo de gaseificador, cujo controle com ciclones pode não

ser adequado; por isso, filtros cerâmicos são provavelmente necessários.

[Kurkela et al., 1991] e [Pitrolo et al., 1990]. Outros inconvenientes dos

gaseificadores de leito fluidizado são o conteúdo de alcatrão do gás produzido

(entre 1300 e 10000 mg/Nm³), material particulado (entre 1.700 a 100.000

mg/Nm

), a combustão incompleta do carbono e a resposta muito lenta frente às

mudanças de carga. Por precisarem de equipamentos de controle, destinam-se

estes sistemas para aplicações acima de 500 kW [Guigon e Large, 1990].

Figura 4.4.- Gaseificador de Leito Fluidizado [Williams et al., 1989].

Os gaseificadores de leito fluidizado podem-se classificar atendendo à

variável de operação “Velocidade de fluidificação”; por exemplo, no leito

fluidizado borbulhante esta velocidade varia entre 1 a 2 m/s e no leito circulante

a velocidade normalmente é maior de 5 m/s [Becerra., 1999].

4.2.1. LEITO FLUIDIZADO BORBULHANTE

Atualmente são poucos utilizados e consistem num recipiente com uma

grelha no fundo através do qual se introduz ar (Fig 4.5). Sobre a grelha está o

leito fixo de material de grão fino, na qual se introduz a alimentação preparada

de biomassa. A regulação da temperatura do leito é por controle da relação entre

o ar e a biomassa. Esta é pirolisada no leito para formar um carvão com

componentes gasosos. O alto peso molecular dos componentes são craqueados

pelo contato com o material do leito, produzindo um gás final com baixo

conteúdo de alcatrão, tipicamente com 1 a 3 g/Nm

[McKendry (Part III), 2002].

4.2.2 LEITO FLUIDIZADO CIRCULANTE (CFBs)

Estes gaseificadores (Fig 4.6) podem fazer frente aos processos de alta

capacidade; utilizam-se por exemplo na indústria de papel para a gaseificação

dos resíduos das árvores e de outros resíduos da silvicultura. O material do leito

circula entre a área de reação e um separador tipo ciclone onde a cinza é

removida e o material do leito e o carvão residual retornam ao gaseificador. Estes

gaseificadores podem funcionar a elevadas pressões; a vantagem é que este gás

pode ser usado direto em turbinas a gás por exemplo [McKendry (Part III),

2002].

As empresas como Lurgi (Alemanha), Ahlstrom (Finlandia) e Studsvik

(Suécia) têm experiência neste tipo de gaseificador. Não há muita experiência de

CFBs (Circulating Fluidized Beds) pressurizados operando com matéria

incluindo carvão. A Ahlstrom esteve desenvolvendo um CFBs pressurizado para

aplicações de biomassa, considerando para iso equipamentos de resfriamento e

filtragem do gás [Williams et al., 1989].

4.3. COMPARAÇÕES ENTRE OS GASEIFICADORES

Os gaseificadores Updraft e Downdraft também chamados de

gaseificadores de primeira geração são mais simples e baratos de construir que os

de leito fluidizado.

Figura 4.5. Leito fluidizado borbulhante [Williams et al., 1989].

Figura 4.6. Leito fluidizado circulante CFBs [Williams et a., 1989].

Por outro lado nos gaseificadores tipo concorrente (Downdraft), o conteúdo

de alcatrão é baixo, devido ao craqueamento deste na região de oxidação, os de

contracorrente apresentam alta eficiência térmica e conteúdo relativamente alto

de alcatrão, sobretudo quando a biomassa gaseificada é úmida. Por isso os

gaseificadores de leito concorrente são os mais utilizados para o acionamento de

motores de combustão interna.

No caso de gaseificador de contracorrente, apesar de produzir gás sujo, são

de dimensionamento melhor, por não possuírem restrições em relação ao

diâmetro da garganta; por esta razão estes tipos de gaseificadores têm sido

aplicados no fornecimento de energia térmica doméstica ou industrial

[Beenackers e Maniatis, 1996].

Os gaseificadores de leito fluidizado são mais convenientes para aplicações

de alta capacidade, como em sistemas BIG/GT, por causa de sua alta

flexibilidade em relação ao combustível (permite usar combustíveis de baixa

densidade e granulométria fina, como é o caso da maioria dos resíduos

agroindustriais), assim como pela facilidade no dimensionamento. [Blackadder et

al.,1993]. A tabela 4.1 apresenta as vantagens e desvantagens tanto dos

gaseificadores de tipo leito fixo e leito fluidizado.

4.4. OUTROS TIPOS DE GASEIFICADORES

Na atualidade estão se desenvolvendo novos tipos de gaseificadores, tendo

sempre como base os tradicionais, em especial dando importância ao

aproveitamento energético dos gases de exaustão, para reduzir o conteúdo de

umidade na biomassa de alimentação.

A tabela 4.2 apresenta as principais características quanto a material

particulado, conteúdo de alcatrão e potência elétrica que se conseguiriam com os

diferentes tipos de gaseificadores.

Tabela 4.1. Vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de gaseificadores

Adaptado de [Arauzo, 1999]

DOWNDRAFT UPDRAFT

Construção relativamente simples Construção simples e robusta

Requer-se baixa umidade nos

combustíveis

Alta eficiencia térmica

Produz-se um gás relativamente limpo Gás com alto conteúdo de alcatrão

Alta temperatura do gás na saída Baixa temperatura do gás na saída

Possível fusão de cinzas e formação de

escorias na grelha

O gás produzido é apto para a

combustão direta

Baixa capacidade específica Facilidade de operação com baixa

escala

Elevado tempo de residência

(permanência) dos sólidos

Elevado tempo de residência

(permanência) dos sólidos

Elevada conversão da biomassa Elevada conversão da biomassa

Potencial de dimensionamento muito

limitado

É necessário um bom sistema de

limpeza dos gases para sua utilização

em motores

Fácil dimensionamento Fácil dimensionamento

LEITO FLUIDIZADO

BORBULHANTE

LEITO FLUIDIZADO

CIRCULANTE

Permitem-se variações na qualidade

dos combustíveis

Grande dificuldade de operação em

relação ao leito fixo

Bom controle da temperatura e alta

velocidade de reação do sólido

Bom controle da temperatura e alta

velocidade de reação do sólido

Bom contato da mistura de gás - sólido Bom contato da mistura de gás - sólido

Moderado nível de alcatrão no gás

produzido

Gás na saída com nível moderado de

alcatrão

Possível processo catalítico no leito Elevada conversão

Grande quantidade de partículas no gás

na saída, que num leito fixo

Limitações ao operar a baixa

temperatura

Fácil arranque e parada Alta capacidade especifica

Limitações ao operar a baixas cargas

Elevada conversão da biomassa

Fácil dimensionamento

Facilidade para seu dimensionamento

Tabela 4.2. Principais características de operação dos diferentes tipos de

gaseificadores [Arauzo, 1999]

REATOR TEMP. ° C ALCATRÃO MATERIAL

PARTICULADO

MWe *

Reação - Saída Min Max

Downdraft

1000 - 800 Muito baixo Moderado 0,1 1

Updraft

1000 - 250 Muito alto Moderado 1 10

Borbulhante

850 - 850 Medio Alto 1 50

Circulante

1000 - 850 Baixo Muito alto 5 100

* Aplicado para geração de energia elétrica.

Os últimos projetos de gaseificação de pequeno porte levam por nome

“gaseificação em duas fases” e caracteriza-se por ter a pirólise e a gaseificação

em reatores separados com uma temperatura alta ou intermediária na região de

craqueamento do alcatrão, permitindo um fino controle da temperatura do

processo, resultando em concentrações muito baixas de alcatrão na produção do

gás, ainda sem ser este um gás limpo (25 mg/Nm

O gaseificador de duas fases conhecido pelo nome de “Viking” foi

comissionado pela DTU (Universidade Técnica da Dinamarca). Durante os

meses de fevereiro e março do ano 2003 um ciclone foi agregado para remover

partículas das correntes dos gases quentes.

A Fig 4.7 apresenta um esquema deste tipo de sistema desenvolvido pela

Universidade Técnica de Dinamarca (DTU) [Jens et. al., 2000].

Figura 4.7. Gaseificador de duas fases, adaptado de [Jens et al., 2000].

Figura 4.8. Gaseificadores tipo Downdraft (Esq) e de Leito Fluidizado (Der)

ambos de pequeno porte [http://www.biomass.org, consultado em Maio

2007].

CAPITULO 5

LIMPEZA E ACONDICIONAMENTO DO GÁS DE BIOMASSA -

ESTADO DA ARTE

5.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Nos MCI e nas turbinas a gás, a limpeza extensiva do gás deve ser

obrigatória e rigorosa para garantir a qualidade de funcionamento do sistema. As

conseqüências de uma limpeza inadequada do gás de gaseificação de biomassa

têm sido amplamente demonstradas.

Desde meados da década de 80, se obtiveram significantes avanços com a

finalidade de melhorar a limpeza do gás, sobretudo para instalações de

gaseificadores de biomassa de grande porte acoplados com grandes turbinas

geradoras de potência. Em meados da década de 90, distintos projetos de

gaseificação de grande porte com turbinas foram propostos e alguns deles

continuam em construção e outros em fases de operação. Em 2000, foi expresso

o interesse adicional no uso da gaseificação de biomassa como método para a

produção de gás sínteses e hidrogênio. Os gases sínteses seriam usados para

produzir combustíveis para o transporte ou na produção de produtos químicos; o

interesse no hidrogênio derivado da biomassa é especificamente com a finalidade

de produzir um combustível limpo para a operação em células de combustível.

5.2. PRINCIPAIS POLUENTES NO GÁS DE BIOMASSA

Os principais componentes a eliminar no gás são:

• Material particulado

• Componentes Alcalinos

• Alcatrão

• Componentes que contenham nitrogênio

• Enxofre

De todos eles, os mais importantes em quantidade e quanto ao nível de

eficiência que representaria o gaseificador são o conteúdo de partículas e o

conteúdo de alcatrão presentes nos gases. A tabela 5.1 mostra os conteúdos

limites típicos destes componentes no gás combustível para uso em MCI e

turbinas a gás.

5.2.1. MATERIAL PARTÍCULADO

São definidos como materiais em fase sólida arrastados pelo gás produzido

no reator. As partículas tipicamente incluem material inorgânico (cinza) que é

derivado do material mineral da biomassa de alimentação, biomassa não

transformada na forma de “char” (resíduo sólido produto da pirólise da

biomassa) e material do leito. A maioria dos gaseificadores de grande porte

utiliza configuração fluidizada borbulhante e/ou circulante para assegurar as

condições uniformes do leito durante a gaseificação. As condições turbulentas

nestes equipamentos produzem uma alta carga de material particulado no gás.

Como resultado, a limpeza dos mesmos é muito necessária para estes sistemas.

5.2.2. COMPONENTES ALCALINOS

A composição química das cinzas determina as propriedades físicas do

material tais como ponto de fusão e ponto de vaporização. A composição

química de cinzas procedentes da biomassa é apresentada na tabela 5.2. Como

pode ser visto, a biomassa deve conter uma quantidade significativa de sais

alcalinos, particularmente potássio. Este último é um elemento requerido para o

crescimento do vegetal; concentrações altas deste elemento são evidenciadas

sobretudo nos cultivos energéticos. Na tabela 5.3 apresentam-se as concentrações

de alcalinos presentes no gás de biomassa.

Tabela 5.1. Qualidade do gás para geração de potência [H.E.M. Stassen, 1993;

Milne T.A et al., 1998]

MCI Turbina

Partículas (mg/Nm

)

< 50 < 30

Tamanho da partícula (µm)

< 10 < 5

Alcatrão (mg/Nm

)

< 100 -

Metais alcalinos (mg/Nm

)

- 0,24

Tabela 5.2. Composição da cinza a partir da biomassa selecionada [Klass,1998]

Composição da cinza por constituinte, % base seca

CaO K

O P

MgO Na

O SiO

Outros

Álamo

47,2 20,0 5,0 4,4 0,2 2,6 2,7 17,9

Pinus

49,2 2,6 0,3 0,4 0,4 32,5 2,5 12,1

Grama

4,8 15,0 2,6 2,6 0,1 69,9 1,9 3,1

A importância da remoção de material alcalino no fluxo de gás de biomassa

dependerá do uso final do mesmo. O problema da formação de vapores alcalinos

e a sua deposição são particularmente críticos em sistemas onde os produtos

quentes do gaseificador são usados sem um significante resfriamento. Um

moderado resfriamento do gás seguido pela remoção de grandes quantidades de

partículas é possível com adequada limpeza do mesmo em evaporadores que

podem tolerar alguma deposição de cinzas. Outras aplicações como as turbinas

requerem uma significante limpeza destes componentes. Ainda em sistemas onde

a condensação de vapores alcalinos não é um problema, a presença de sais

alcalinos pode criar outros problemas, entre os quais corrosão de superfícies

metálicas, entre outros.

Tabela 5.3. Concentrações de alcalinos no combustível [Miles et al., 1996]

Biomassa Óxidos Alcalinos

(kg/GJ)

Probabilidade de

conversão em escória

Resíduos de jardim

0,50 Muito alta

Madeira – Casca de

amêndoa

0,40 Muito alta

Resíduos florestais

0,22 Media

Álamo híbrido

0,17 Alguma

Carvalho vermelho

0,09 Baixa

5.2.3. ALCATRÃO PRESENTE NA GASEIFICAÇÃO

Alcatrão é um termo genérico que descreve um complexo grupo de

constituintes orgânicos que são produzidos pela reação parcial da biomassa. Tais

materiais residem na corrente do gás quente como fluxo vaporizado ou como

uma nevoa, e que tipicamente condensam a temperaturas mais baixas. Este

alcatrão inclui uma variedade de aromáticos oxigenados formados no processo de

pirólise. O termo alcatrão tem sido ativamente discutido faz poucos anos sem

nenhuma conclusão resolutiva. Pode se definir o alcatrão como sendo moléculas

orgânicas com pesos maiores que o benzeno 78. Esta definição tem sido usada

em algumas referências de sistemas de gaseificação de biomassa [Neef et al.,

1999].

O alcatrão pode ser tolerado em sistemas onde o gás deve ser utilizado

diretamente em queimadores, por exemplo, já que o conteúdo de alcatrão eleva o

poder calorífico do gás combustível. No entanto, quando utilizado para outros

fins, o alcatrão representa problema de limpeza e deve ser classificado como

perigoso. A presença de alcatrão não é desejada na produção de gás síntese ou

em aplicações de hidrogênio. A presença de alcatrão representa uma redução na

eficiência do gaseificador, tendo em vista que menos biomassa é convertida em

combustível ou gás síntese. Na tabela 5.4 apresentam-se as quantidades de

alcatrão para diversos tipos de gaseificadores.

5.2.4. POLUENTES DE CONTEUDOS NITROGENADOS

O poluente primário do conteúdo nitrogenado no gás de saída é a amônia

(NH

). Os níveis aceitáveis de amônia na corrente do gás são tipicamente ditados

por regulamentações locais. Os sistemas de gaseificação devem ser projetados

necessariamente conhecendo-se estas regulamentações. As concentrações de

amônia são relativamente baixas na maioria dos gaseificadores, mas na corrente

do gás é indesejável, principalmente porque propicia a formação de NOx quando

os produtos de gás são queimados.

A limpeza de NH

é requerida para sistemas em localizações com

regulamentações estritas de emissões NOx. Eles são produzidos por reações do

nitrogênio ou moléculas que contem nitrogênio com oxigênio a elevadas

temperaturas representativas em sistemas de combustão.

5.2.5. ENXOFRE

Os enxofres na biomassa podem converter-se em sulfito de hidrogênio ou

óxidos de enxofre durante a gaseificação. Na maioria de aplicações onde os

produtos da biomassa são usados como gases combustíveis, não são necessárias

as tecnologias para remover enxofre. Alguns catalisadores de craque do alcatrão

são também sensíveis ao enxofre.

Em resumo, pode-se dizer que os principais problemas para melhorar a

qualidade do gás combustível são a quantidade de material particulado e o

conteúdo de alcatrão. A seguir se enumera as tecnologias apropriadas para a

remoção destas substâncias.

Tabela 5.4. Comparação do conteúdo de alcatrão e material particulado assim

como qualidade do gás obtido em distintos tipos de gaseificadores [Graham e

Bain, 1993; Neef et al., 1999; Hasler e Nussbaumer, 1999]

Downdraft Updraft CFB

Umidade (%)

6 - 25 13 - 20

Partículas

(mg/Nm

)

100 - 8000 100 - 3000 8000 - 100000

Mínimo

10 100 8000

Maximo

10000 3000 100000

Valor

representativo

(níveis aceitáveis)

100 – 200 100 – 1000 10000 – 35000

Alcatrão

Mínimo

0,4 1 < 1

Maximo

6,0 150 30

Valor

representativo

(níveis aceitáveis)

0,1 – 1,2 20 - 100 1 – 15

PCI (MJ/Nm

)

4,0 – 5,6 3,7 – 5,1 3,6 – 5,9

15 – 21 10 – 14 15 – 22

10 – 22 15 – 20 13 – 15

11 – 13 8 – 10 13 – 15

1 – 5 2 – 3 2 – 4

0,5 - 2 nd 0,1 – 1,2

Resto Resto Resto

nd: Não disponível

5.3. TECNOLOGIAS PARA A REMOÇÃO DE MATERIAL

PARTICULADO

Os níveis de partículas devem estar abaixo de 50 mg/Nm

para motores a

gás [Abatzoglou et al., 2000], e abaixo de 15 mg/Nm

(> 5 µm) para turbinas a

gás é abaixo de 0,02 mg/Nm

para sistemas de gás de síntese [Graham e Bain,

1993]. Os métodos para remoção de partículas incluem os seguintes

equipamentos:

• Ciclones

• Filtros de mangas

• Purificadores eletrostáticos

• Depuradores úmidos (wet scrubbers)

A seguir se descreve cada um desses equipamentos:

5.3.1. CICLONES

São usados como primeiro passo para a limpeza do gás na maioria de

sistemas de gaseificação, já que são eficientes e relativamente de menor custo de

construção e operação. Em gaseificadores de leito circulante, o ciclone já faz

parte do gaseificador. Os ciclones, Fig 5.1, são utilizados para remover partículas

grandes e podem operar numa ampla gama de temperaturas, limitadas pelo

material de sua construção. Estes equipamentos podem remover mais de 90% de

partículas acima de 5 µm de diâmetro com mínima perda de carga (0,01 atm). A

remoção parcial de material entre 1 a 5 µm é também possível, mas neste caso o

sistema é ineficaz. Os ciclones também ajudam na remoção do alcatrão

condensado e materiais alcalinos da corrente do gás [Stevens, 2001].

Figura 5.1. Ciclone [htpp://www.bioenergyinternational.com, consultado em

Agosto 2005].

5.3.2. FILTRO DE MANGAS

Os filtros incluem uma gama de materiais porosos que permitem o fluxo

dos gases, mas impedem a passagem de partículas. Estes filtros removem

pequenas quantidades de partículas entre 0,5 e 100 µm de diâmetro. Conforme o

diâmetro do poro seja menor, a perda de carga no mesmo é incrementada. Por

isso, existe uma série de condições técnicas e econômicas que limitam a remoção

de partículas. Deve-se ter muito cuidado sobretudo nos gaseificadores onde se

manejam maiores volumes de gases.

Estes filtros devem ser limpos periodicamente com fluxos de ar a alta

pressão na direção contraria ao fluxo de gases, diminuindo a carga de

particulados. Normalmente ficam instalados depois dos ciclones. Os filtros são

apropriados para remover partículas secas, mas são menos apropriados para

remover poluentes úmidos e pegajosos como é o caso do alcatrão. Os filtros de

manga dividem-se tipicamente em: filtros rígidos e os filtros de bolsa (bag or

fabric filtres).

a. FILTROS RÍGIDOS

Quanto aos filtros rígidos (vide Fig 5.2), os mas típicos são os filtros

metálicos e os filtros cerâmicos. Os primeiros requerem um esfriamento prévio

do gás para evitar a sinterização do metal e a corrosão do mesmo; por outro lado

os cerâmicos são especiais para trabalhar a elevadas temperaturas, mas são muito

frágeis chegando inclusive a se fraturar por choques térmicos [Sydkraft, 1998].

b. FILTROS DE BOLSA

Este filtro de gases é o mais comum; consta de um grande depósito

cilíndrico ou em forma de paralelepípedo dividido longitudinalmente em duas

partes. O gás carregado de sólidos penetra pela parte inferior dele e passa através

das mangas onde se filtra e sai pela parte superior, arrastado por um aspirador.

Em intervalos regulares e num grupo atrás do outro, as mangas de filtragem são

limpas mediante as válvulas solenóides e bocais que injetam ar. O processo de

limpeza consta de rápidos pulsos de grande vazão de ar a pressão em

contracorrente, de aproximadamente 0,2 segundos de duração cada um. Com

cada um destes sopros, as mangas inflam-se abruptamente provocando o

desprendimento de partículas que estavam fixadas em sua parte externa. Fig 5.3.

Estes requerem que o gás seja resfriado primeiramente a temperaturas

abaixo de 300 °C. Deve-se ter muito cuidado para prevenir a condensação do

alcatrão, o que poderia criar sérios problemas de perda de carga e obstrução,

devido às características pegajosas do alcatrão [Stevens, 2001]. Existem outros

tipos de filtros que utilizam leito como material de filtragem; o leito pode ser de

areia, serragem, esferas cerâmicas, etc.

Para gaseificadores com capacidade nominal de 270 kW de potência

térmica, a quantidade total de areia usada deve ser de aproximadamente 1100 kg;

o gás limpo sai do filtro de areia a temperaturas entre 5 a 25 °C. Na prática o

procedimento de limpeza dos filtros de areia apresenta desvantagens em

comparação com outras tecnologias [Hasler and Nussbaumer, 1999].

Figura 5.2. Filtros cerâmicos [htpp://www.bioenergyinternational.com.

consultado em Agosto 2005].

Figura 5.3. Filtros de bolsa [htpp:/www.prillwitz.com.ar, consultado em Agosto

2005].

5.3.3. PURIFICADORES (PRECIPITADORES) ELETROSTÁTICOS

Mediante estes filtros, cria-se um campo eletrostático que captura as

partículas pela contínua ionização das mesmas. Estes filtros especiais podem ser

construídos utilizando-se pratos coletores de polaridades opostas em cuja

superfície acumulam-se partículas carregadas eletricamente. Fig 5.4.

Vantagens Diretas do uso de purificadores eletrostáticos:

- Melhor nível de retenção. Alta eficácia, consegue-se rendimento comparável

e na maioria dos casos superiores aos filtros tradicionais.

- Podem trabalhar a elevadas temperaturas. Os precipitadores eletrostáticos

permitem filtrar a corrente sem que seja necessário reduzir a temperatura dos

gases. Têm sido projetados para trabalhar até 500 °C.

- Menor perda de carga. Pelas características de projeto e princípios de

funcionamento a perda de carga é muito baixa. Por esse motivo a potência

necessária no ventilador reduz-se notavelmente, e portanto o custo e

consumo de eletricidade também.

- Pouca manutenção: Os filtros eletrostáticos não têm muitos componentes de

troca periódica, e sua manutenção reduz-se a uma simples revisão anual.

Estes filtros são apropriados para a gaseificação de médio e grande porte

devido ao tamanho físico e os elevados custos de investimento. Em geral, o uso

destes filtros em sistemas de gaseificação de pequeno porte e em alguns de médio

porte, apresenta uma desvantagem sobre o ponto de vista econômico.

5.3.4. DEPURADORES ÚMIDOS (WET SCRUBBERS)

A depuração úmida é um processo útil para tratar fluxos de gases ácidos,

amoníaco ou fluxos com partículas sólidas.

100

(a)

(b)

(c)

Figura 5.4. Purificadores (precipitadores) Eletrostáticos

[htpp://www.bioenergyinternational.com. consultado em Agosto 2005].

O mais comum é do tipo Venturi, que são depuradores nos quais se acelera o

fluxo de gás contra uma pulverização aquosa de alta densidade. As gotas aquosas

impactam a uma grande velocidade relativa com os sólidos do fluxo de gás. As

velocidades do gás são tipicamente entre 60 a 125 m/s na região de estreitamento, a

eficiência na remoção de partículas é proporcional à queda de pressão no Venturi; por

exemplo, com uma caída da pressão de 2,5 a 25 kPa, estes depuradores podem

remover 99% de partículas acima de 2 µm e 95 a 99% destes acima de 1 µm [Baker et

al., 1986].

O conglomerado de partículas resultante se separa do fluxo de gás numa torre de

separação em virtude da força de inércia. A pulverização de alta densidade também

possibilita uma transferência de massa para a adsorção de poluentes gasosos.

101

Figura 5.5. Depurador úmido do Tipo Venturi

[htpp://www.bioenergyinternational.com. consultado em Agosto 2005].

Os sistemas de gaseificação de biomassa que atualmente usam depuradores úmidos, os

utilizam sobretudo para eliminar mais alcatrão do que partículas sólidas. [Stevens.,

2001]. De o gráfico a seguir, observa-se a eficiência de separação de acordo com o

tamanho da partícula. Fig 5.6.

5.4. TECNOLOGIAS PARA A REMOÇÃO DE ALCATRÃO

A remoção de alcatrão é particularmente necessária em sistemas onde o gás é

resfriado por trocadores de calor devido à condensação dos vapores destas substâncias,

já que provocariam grandes problemas operacionais na instalação e diminuição da

eficiência total do gaseificador.

102

Figura 5.6. Eficiências na separação de partículas em sistemas convencionais de

limpeza do gás de saída [Hasler e Nussbaumer, 1999].

É inevitável a formação de alcatrão, ocorre em todo tipo de gaseificador, em

alguns com maior concentração que em outros. O alcatrão é considerado perigoso e até

cancerígeno em especial se são formados a elevadas temperaturas, portanto requer um

maior nível de segurança quanto a sua manipulação e disposição [Neef et al., 1999];

[Elliot, 1985].

5.4.1. DEPURADORES ÚMIDOS (WET SCRUBBER)

Tal como foi mencionado, os depuradores úmidos (wet scrubbers) são, utilizados

principalmente para a remoção de alcatrão. Umas amplas variedades de equipamentos

estão disponíveis, como por exemplo, as torres de spray (spray towers), sistemas que

usam líquidos depuradores (impingement scrubber), depuradores com defletores e os

conhecidos depuradores Venturi. Os detalhes deste e outros tipos de depuradores

apresentam-se na tabela 5.5 e 5.6 e na figura 5.7.

103

Tabela 5.5. Quedas de pressão e tamanhos de material particulado recolhido em

depuradores úmidos [Baker et al., 1986]

Queda de

pressão, cm c.a

Tamanho de partícula (µm)

para 80% de colheita

Torre de spray 1,5 – 4,0 10

Packed – Bed Scrubber 5 - 125 1 – 10

Venturi 10 - 250 0,2 – 0,8

Para sistemas de gaseificação de grande escala, tem-se demonstrado a elevada

efetividade dos depuradores úmidos para a remoção de alcatrão, como por exemplo,

aqueles usados no projeto ARBRE, como sempre, o gás é resfriado antes da sua

entrada nos depuradores.

Por outro lado, o uso destes depuradores, em sistemas de gaseificação de

pequeno porte, provou ser um método menos confiável para a remoção. A produção de

alcatrão neste sistema é susceptível a mudança no conteúdo de umidade da biomassa.

O elevado conteúdo de umidade reduz a temperatura interna do gaseificador promove

a formação de mais alcatrão. Alguns autores consideram que a utilização de

depuradores úmidos para a gaseificação de pequeno porte não é prática, já que

aumentam os custos operacionais [Stevens, 2001].

5.4.2. FILTRO DE MANGAS

O alcatrão é capturado pela impregnação do mesmo em estado líquido na

superfície do filtro. Devido ao fato de que o alcatrão apresenta-se na forma líquida,

este é mais fácil de remover. O problema da remoção é quando este se apresenta junto

com material particulado. Esta combinação não beneficiaria a rápida limpeza do

material na filtragem. Estas diferenças fazem com que os filtros de mangas sejam

menos apropriados para remover alcatrão que para remover o material particulado.

Como já se sabe, além dos tradicionais filtros de mangas, existem os filtros rígidos

(cerâmicos e metálicos); estes últimos são geralmente inapropriados para remover

104

alcatrão em sistemas de gaseificação. A acumulação de alcatrão nestes filtros leva a

obstrução do mesmo.

Tabela 5.6. Eficiências na remoção do alcatrão reportados de depuradores úmidos em

sistemas de gaseificação de biomassa [Neeft et al., 1999]

Tecnologia Eficiência na remoção do alcatrão

Torres de spray 11 – 25% de alcatrão pesados

40 – 60% Hidrocarbonatos Poliaromáticos

0 – 60 % Compostos fenolitos

Venturis e depuradores de spray 83 – 99% Material condensável

Venturi mais decantador

ciclónico

93 – 99% Orgânicos condensáveis

Depurador Vortex 66 – 78% Evaporação de resíduos

Figura 5.7. Depurador úmido- Wet Scrubber [htpp://www.unizar.es, consultado

Setembro 2005].

105

5.5. CATÁLISE E DESTRUIÇÃO TERMICA DO ALCATRÃO

Neste processo, o resultado da decomposição térmica do alcatrão é um produto

do gás chamado “char”; a decomposição do alcatrão pode ocorrer a uma temperatura

por acima de 1200 °C ou com catalisadores a temperaturas moderadas de 750 a 900

°C. Estes métodos são interessantes porque incrementam a eficiências na conversão e

simultaneamente eliminam o alcatrão. Por isso, estes processos são apropriados para

gaseificadores de grande porte sobretudo nos de leito fluidizado onde a temperatura de

saída dos gases esta por acima de 800°C.

A destruição do alcatrão por catalisadores em sistemas de gaseificação de

biomassa foi usada há 20 anos [Bridgwater, 1994; Beenakers, 1994; Aznar et al.,

1997; Caballero et al., 1999]. Catalisadores metálicos e não metálicos foram utilizados

para o craqueamento e destruição do alcatrão no próprio reator [Baker et al., 1986] ou

em recipientes separados na saída do gaseificador.

Em gaseificadores de leito fixo, o contato entre o catalisador e o alcatrão é

algumas vezes insuficiente, resultando numa destruição incompleta do alcatrão. As

pesquisas sugerem que o uso de catalisadores para a destruição do alcatrão in situ pode

reduzir o nível, mas indicam que não parece ser este um efetivo método em instalações

de grande porte. Grande parte das pesquisas tem sido desenvolvida utilizando

recipientes com catalisadores localizados fora do gaseificador. Esta reação separada

propicia um melhor controle na temperatura e redução da turbulência no leito,

contribuindo desta forma, a incrementar a vida útil do catalisador. As dolomitas e

materiais similares (catalisadores não metálicos) têm elevado potencial de

craqueamento do alcatrão em sistemas de gaseificação de biomassa, em condições de

laboratório reduzem entre 95 a 99% do alcatrão no fluxo de gás a temperaturas de 750

a 900°C [Alden et al., 1997].

Alguns pesquisadores têm usado catalisadores não metálicos seguidos de

depuradores úmidos para a eliminação quase completa do alcatrão. Em temperaturas

de operação de aproximadamente 800 °C, a concentração de alcatrão utilizando

reatores de leito fluidizado com um catalisador não metálico como craqueador foi

reduzido de 23 g/m

a 1,4 g/m

posteriormente, este gás foram levados a depuradores

106

úmidos; esta combinação resultou numa produção quase nula de alcatrão [Paisley,

1997]. Este craqueador foi testado em Battelle Columbus, Estados Unidos.

Os catalisadores metálicos para o craqueamento de alcatrão, incluem aqueles

baseados em Ni, Ni/Mo, Ni/Co/Mo, NiO, Pt, Ru em suportes tais como sílica alumina,

zeolitas e outros [Aznar et al., 1997] e [Alden et al., 1997]. A vantagem do uso destes

catalisadores é a destruição também da amônia presente no gás.

Com a finalidade de uniformizar os métodos para a redução do alcatrão, e desta

forma comparar os resultados obtidos em laboratórios e centros de pesquisa de

diferentes lugares, tem-se estabelecidos certos protocolos para uniformizar os métodos

[Maniatis e Beenakers, 2000].

107

CAPÍTULO 6

DIMENSIONAMENTO E FUNCIONAMENTO DO GASEIFICADOR E

DO SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO

No presente capítulo detalha-se o dimensionamento e o funcionamento do

gaseificador para uma capacidade de processamento de 100 kg/h de biomassa

lignocelulósica, assim como o seu correspondente sistema de alimentação.

Como já mencionado, a escolha do o tipo de gaseificador depende do tipo de

material a ser gaseificado e do uso final do gás produzido. Como o sistema de

gaseificação deverá alimentar com gás de biomassa um MCI, um gaseificador de leito

fixo tipo “downdraft” deve ser utilizado, devido a sua capacidade de produzir menos

alcatrão no gás combustível [Mendis et al., 1989], alem do fato de apresentar distintas

vantagens que serão apresentadas ao longo deste capítulo. Destes modelos tipo

downdraft, se elege sobretudo aqueles de tipo “garganta”. [Bilbao e Fernández, 1988],

[Arauzo. 1999]. Como a biomassa depende do fluxo de ar introduzido e do sistema de

remoção de resíduos, as influências de ambas variáveis serão consideradas para o

estudo do sistema [Jenkins e Goss, 1980].

6.1. FLUXOS PRODUZIDOS EM GASEIFICADORES DOWNDRAFT

De acordo a dados reais obtidos de gaseificadores de pequeno porte construídos

pelo Grupo de Processos Termoquímicos da Universidade de Zaragoza – Espanha,

quanto a condições de operação, fluxo de ar de entrada e fluxo de gás produzido em

relação à biomassa processada (entre 25 e 620 kg/h), tem-se o gráfico apresentado na

figura 6.1.

Da figura 6.1 pode-se estimar que o fluxo de ar necessário para os 100 kg/h de

alimentação é de 120 Nm

/h e o gás gerado nestas condições é de 200 Nm

/h. A tabela

6.1 mostra dados obtidos de gaseificadores tipo downdraft construídos nos últimos

anos com o mesmo projeto da grelha e mesmo sistema de remoção de partículas.

108

FLUXO DE AR, GAS E SOLIDOS PRODUZIDOS DE GASEIFICADORES

DOWNDRAFT COM GARGANTA

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Biomassa processada (kg/h)

Fluxo

(Nm3/h)

Solidos produzidos (kg/h)

Gas Produzido

Fluxo de ar

Produçao de sólidos

Figura 6.1. Fluxo de ar necessário e gás produzido em função da biomassa processada

em um gaseificador tipo Downdraft com garganta [Grupo de Procesos

Termoquímicos, 2005].

6.2. SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DE BIOMASSA

O sistema de alimentação é composto de uma coifa principal de armazenamento

de biomassa com capacidade para várias horas de operação, a fim de garantir a

alimentação desta ao gaseificador em função do consumo. Desta coifa, a biomassa é

descarregada sobre um pequeno cilindro (C

) que conecta à parte inferior da coifa com

a tampa superior do gaseificador. Para mais detalhes da coifa e do cilindro de

alimentação, apresentam-se as figuras 6.2 e 6.3 respectivamente, por outro lado os

planos dos desenhos tanto da coifa como do cilindro são apresentados nos anexos

planos N° 9 e 10 respectivamente.

109

Tabela 6.1: Dados técnicos de gaseificadores Downdraft tipo garganta, adaptados de

[Arauzo, 1999], [Redd e Dass, 1989], [Beenackers e Bridgwater, 1989], [Garcia et al.,

1994]

GERAL

Capacidade de processamento

10 - 750 kg/h

Quente (600 a 700 ºC)

0,11 - 12 GJ/h

Frio(40 a 70ºC)

0,10 - 10 GJ/h

Energia do gás de saída

Pot. Elétrica do motor

10 - 750 kW

Capacidade específica na garganta

180 - 3600 kg/m

SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DA BIOMASSA

Dimensões

20 - 80 mm

Umidade

0 - 30 %

Cinzas

0 - 15 %

Relação ar / biomassa (l.c.u)

1,25 – 2,00

CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO

Pressão

1 - 10 bar

Temperatura (máxima)

1000 - 1200 °C

GAS DE SAÍDA

Temperatura

500 – 800 °C

Composição média (base seca)

(16%), CO (20%), CO

(12%), CH

(2%),

(<1%), N

(50%)

PCI

4,5 - 6 MJ/m

Quantidade de partículas

Baixa

Alcatrão gerado

0 - 300 mg alcatrão/Nm

gás

Gás gerado

2 - 2,5 Nm

de gás/kg de biomassa l.c.u.

Efic. Gás Frio

75 - 89%

Teor de alcatrão

1 %

Balanço de Energia

Perdas

2 - 7%

l.c.u : livre de cinzas e umidade

110

Figura 6.2. Coifa de alimentação (planos mostrados nos anexos).

Figura 6.3. Cilindro de alimentação (planos mostrados nos anexos).

111

Este sistema é regulado pelo nível de sólidos no interior do gaseificador; quando

um detector de nível dá um sinal que a biomassa dentro do gaseificador já desceu por

debaixo de um nível assinalado, inicia-se a seqüência de carga abrindo uma válvula

), localizada na parte superior do cilindro (C

). Depois de um tempo pré-fixado

(suficiente para encher o cilindro (C

)) se procede a abertura de outra válvula (V

)

localizada na parte inferior do cilindro (C

); logo, por ação da gravidade, a biomassa

cai dentro do gaseificador e finalmente se fecha novamente a válvula (V

). É

importante ressaltar que durante a abertura da válvula V

, a válvula V

permanece

fechada com a finalidade de evitar as fugas no interior do gaseificador. A seqüência

das operações das válvulas se repete até que o nível de biomassa no interior do

gaseificador situe-se no nível do controlador instalado.

As válvulas V

e V

, como já mencionado, são válvulas acionadas

pneumaticamente cujo projeto permitirá que ao se encontrar em posição aberta, estas

deixem livre todo o diâmetro do cilindro C1, evitando obstáculos ao fluxo de biomassa

e possíveis congestionamentos. A seção livre de passo das válvulas é de 20 cm. A

coifa é projetada de forma cônica com a finalidade de aumentar o volume de

armazenamento da biomassa.

Dentro do gaseificador e distribuídos ao longo deste, deverão ser instalados 4

termopares com o objetivo de manter um registro contínuo da temperatura no interior

do gaseificador. Para a monitoração da perda de carga no leito, deverão ser instalados

medidores de pressão na entrada de ar de gaseificação e na saída do gás produzido. Na

coifa estão instalados alarmes de nível, que enviam sinais acústicos ou luminosos que

avisam ao trabalhador encarregado que é necessário repor biomassa no sistema de

alimentação, para dar continuidade a operação normal.

6.3. PROJETO DO GASEIFICADOR DOWNDRAFT

O gaseificador constará dos seguintes componentes:

• Corpo do gaseificador

• Grelha que sustenta o leito de biomassa e regula a eliminação das cinzas.

112

• Uma tampa superior onde se instala o sistema de válvulas para o ingresso da

biomassa.

• Um agitador que evita a formação de ar no leito de biomassa.

• Uma região inferior de recolhimento de resíduos sólidos.

• Um parafuso sem fim para a retirada dos resíduos.

• Um tubo de ar ao redor da região da garganta para a injeção do mesmo.

Tabela. 6.2. Características das válvulas do sistema de alimentação

Acionamento

Pneumático 7 Bar

Material

Aço Inox

Diâmetro de passo

250 mm

Guarnições

Borracha

O corpo do gaseificador será composto de três diferentes camadas de materiais; a

primeira camada exterior será de aço carbono de 5 mm de espessura que é a estrutura

do gaseificador, seguida de uma camada de material isolante de 20 mm de espessura

que pode ser lã (isolante mineral) e cuja temperatura máxima de operação é de 1200

°C; esta camada tem a função de absorver possíveis dilatações térmicas; finalmente

encontra-se no interior uma camada de cimento refratário de 110 mm de espessura que

realizará o isolamento térmico; esta camada será utilizada para a construção do interior

do corpo para a região oxidação conhecida como “garganta”, para o material cerâmico

recomenda uma densidade de 350 kg/m

. Para mais detalhes, apresentam-se as

figuras 6.4 e 6.5, por outro lado os planos dos desenhos do gaseificador são

apresentados nos Anexos, Planos N° 1,2 e 3.

A grelha é construída por três discos de aço refratário com diâmetros

decrescentes “Closed – Grate Design” [Garcia et al.,1994]. Os diferentes discos (8

mm de espessura) são colocados excentricamente em relação ao eixo do mesmo; as

paredes laterais da grelha são de aço refratário de 5 mm de espessura e com buracos de

aproximadamente 9 mm de diâmetro.

113

Figura 6.4. Gaseificador, vista frontal (planos mostrados nos anexos).

Figura 6.5. Gaseificador, vista de perfil (planos mostrados nos anexos).

114

A grelha será acionada por um motor elétrico de 1 CV de potencia acoplado ao

correspondente redutor terminando num conjunto de engrenagem que se conecta ao

eixo da grelha. Os detalhes apresentam-se nos Anexos, Planos Nº 7 e 8 e figura 6.6.

Figura 6.6. Grelha, vista de perfil (planos mostrados nos anexos).

A injeção de ar realiza-se através de uma serie de tubos que penetram o

gaseificador de forma radial numa altura de 90 mm acima do ponto mais estreito da

garganta, sem sobressair muito da camada de cimento refratário. O número de tubos na

garganta está relacionado com o conteúdo de alcatrão no gás de saída; se dispõe de 4

tubos nesta zona com um diâmetro de ¼” (pol) cada um (ver Anexos, Planos Nº 1 e

3).

Os resíduos, cinzas (ash), provenientes da grelha, são recolhidos por um parafuso

sem fim que as transporta até um depósito de descargas. O parafuso é acionado por um

motor elétrico de menos de 1 CV. O agitador interior do gaseificador (ver Anexos,

Plano Nº 12), cujo eixo finaliza na parte exterior num pinhão, é acionado através de

um motor elétrico também de 1 CV acoplado ao redutor. Estes motores não se

115

encontram em permanentemente funcionamento; prevê-se que estes funcionem menos

do 10% do tempo de operação da instalação. A operação da grelha, que sustenta o leito

e retira as cinzas, é ativada em intervalos regulares de tempo previamente

determinado. Desta forma, regula-se o consumo de biomassa, já que uma maior

atividade da grelha faz que o tempo de retenção dos sólidos seja menor, não se

completando a gaseificação do “char” formado na pirólise. Para mais detalhe da parte

inferior do gaseificador, se recomenda ver os Anexos, nos Planos Nº 4, 5 e 6 e a figura

6.7.

Figura 6.7. Parte inferior do gaseificador (planos mostrados nos anexos).

6.3.1. PARÂMETROS ESPECÍFICOS DO PROJETO

Um importante aspecto neste tipo de gaseificador, é o projeto da região de

oxidação (zona da garganta) que influência no craqueamento do alcatrão e na

formação de óleo na região da pirólise.

116

O tamanho desta região depende da quantidade no consumo de biomassa. A

capacidade específica do sistema varia entre 180 a 3600 kg/h.m

[Groenvelt e Van

Swaaij, 1980]; [Kaupp e Goss, 1981]; [Van Swaaij, 1981]; por outro lado, levando em

conta a experiência na construção de gaseificadores de leito fixo “Downdraft” tipo

garganta por parte do Grupo de Processos Termoquímicos [G.P.T, 2005] da

Universidade de Zaragoza em Espanha, que recomenda capacidades específicas de

processamento entre 1200 a 1300 kg/h.m

e cujos valores lhes deram bons resultados.

Para o presente projeto se tomará um valor de 1250 kg/h.m

como capacidade

especifica de consumo; com este valor é possível determinar a área da região de

oxidação (região de combustão ou chamada também região da garganta). (ver Anexos,

Plano Nº 2)

Como o projeto da região da garganta é crucial para a redução do alcatrão, se

deve ter cuidado em seu dimensionamento; a maioria dos autores considera uma

inclinação em relação a vertical de 45° para esta região, o que permite delimitar a

região de pirólise, a região de oxidação e a região de redução (gaseificação); no

entanto é recomendado um valor de 33° em relação à vertical para o projeto da

garganta [G.P.T, 2005] e desta forma melhorar o fluxo de biomassa e se evitar a

possível formação de ar no leito. Para o presente projeto se tomará um ângulo de 30°

em relação a vertical. Por outro lado, no caso da altura do gaseificador, são

recomendados um valor de 2,5 vezes o diâmetro da região de pirólise e tempo de

residência da biomassa de 3,5 horas, baseando-se em tempos de residência de projetos

anteriores do mencionado grupo espanhol. O volume da região de redução é

recomendado que seja aproximadamente 30% do volume total. [G.P.T, 2005]. (ver

Anexos, Plano Nº 1). Outro parâmetro a se levar em conta é o volume desta região de

redução (região de gaseificação). Este deverá ter aproximadamente 0,5 m

por cada m

da região de oxidação (área da garganta) [Twenty University, 1981].

Os cálculos para as dimensões do gaseificador são apresentados no capítulo 7 e

os planos do projeto baseados nos cálculos anteriores são apresentados nos Anexos

(Planos Nº. 1 até o 14). A seguir, apresenta-se a figura 6.8 para uma visão geral da

instalação e montagen do gaseificador.

117

Figura 6.8. Montagem do Gaseificador (planos mostrados nos anexos).

6.3.2. BALANÇO DE MASSA NO GASEIFICADOR

O gaseificador “Downdraft” recebe duas correntes na entrada: alimentação de

biomassa e de ar pré-aquecido. Como correntes de saída apresentam o gás gerado no

processo de gaseificação e as cinzas acompanhadas do “char” residual que deverão ser

retiradas pelo sistema de eliminação de resíduos.

A figura 6.9 apresenta o balanço de matéria do gaseificador. Como é de

conhecimento, a alimentação é de 100 kg/h de biomassa e o ar para a gaseificação é

de 120 Nm

/h (155,19 kg/h). Um valor recomendável na relação ar/biomassa para a

região de gaseificação está entre 0,25 a 0,4, sendo este último valor o limite máximo

recomendável para a operação do equipamento. Ou seja, para estes valores, o gás de

118

biomassa teria um maior poder calorífico. Esta explicação pode-se observar com

detalhe na figura 6.10 [Reed e Dass, 1989].

Figura 6.9. Relação ar/biomassa para a zona de gaseificação [Reed e Dass, 1989].

Nestas condições se obterão aproximadamente 200 Nm

/h de gás combustível,

o qual em base úmida apresentará aproximadamente a seguinte composição: 17,90%

de H

, 13,40% de CO, 13,40% de CO

, 3,60% de CH

, 0,90% de O

, 40,20% de N

10,60% de H

O. Com estes valores a massa molecular do gás de saída é de 24,034

g/gmol e desta forma se poderá expressar a produção do gás em kg/h obtendo um

valor de 214,55 kg/h. A corrente de saída dos gases terá uma composição bastante

estável.

Quanto à biomassa de alimentação, estima-se um poder calorífico de

16500kJ/kg. Para maiores detalhes deste valor, podem ser consultadas nas tabelas 6.3

e 6.4, onde são apresentadas as características técnicas dos diferentes tipos de

biomassa lignocelulósica em base seca e variando as percentagens de umidade. Esta

biomassa apresenta as seguintes características:

119

20 Nm

55,19 kg/h

≈ 250 ºC

BIOMASSA

100 kg/h

2,7% de Cinzas

12,1 % de Umidade

PCI 16500 kJ/kg

CINZAS E CHAR

Entre 30 a 40 kg/h

Tº ≈ 600 ºC

GAS

200 Nm

/h ≈ 214,55

kg/h

Tº ≈ 600 ºC

6 g (pó) / Nm

PCI ≈ 5,17 MJ/Nm

Alcatrão

≈ 3 g/Nm

Figura 6.10. Balanço de massa do gaseificador.

• É composta em sua maior parte de carbono e hidrogênio, variando muito

pouco de um tipo de lenha a outro.

• A maioria dos tipos de biomassa tem um conteúdo de cinzas baixo, com

exceção da casca de arroz e o bagaço.

• O conteúdo de carbono da biomassa é menor que o do carvão mineral ou dos

combustíveis derivados do petróleo.

A corrente do gás arrastará parte das cinzas e o carbono residual que ficou na

grelha do gaseificador numa quantidade aproximada de 6 g de pó/Nm

de gás. Esta

concentração de material sólido variará segundo os ciclos de funcionamento da

grelha. A quantidade de alcatrão que se poderá obter no pior dos casos oscilará entre

1 a 3 g/Nm

do gás de saída. No caso da produção de sólidos, se espera produzir entre

30 e 40 kg/h entre cinzas e char residual. Os restos de matéria são os condensados de

alcatrão e possíveis perdas por fugas no reator [G.P.T, 2005].

120

Tabela 6.3. Características técnicas de diferentes tipos de biomassa em base seca

[Jenkins, 1990]

Composição elementar (%) Tipo de biomassa

C H O N S A

PCI

MJ/kg

Pinho

49,29 5,99 44,36 0,06 0,03 0,30 20,0

Eucalipto

49,00 5,87 43,97 0,30 0,01 0,72 19,04

Casca de arroz

40,96 4,30 35,86 0,40 0,02 18,34 16,1

Bagaço de cana

44,80 5,35 39,55 0,38 0,01 9,79 17,3

Casca de coco

48,23 5,23 33,19 2,98 0,12 10,25 19,0

Sabugos de milho

46,58 5,87 45,46 0,47 0,01 1,40 18,8

Ramas de algodão

47,05 5,35 40,97 0,65 0,21 5,89 18,3

Tabela 6.4. Conteúdo energético de algumas biomassas com distintas porcentagens

de umidade [Nogués e Royo, 2002]

P.C.I (kJ/kg) com X (% de umidade) PRODUTO

X P.C.I X P.C.I X P.C.I

Lenha

0 19.353 20 15.006 40 10.659

Serragens

0 19.069 15 15.842 35 11.537

Caroço de Oliva

0 18.839 15 15.800 35 11.746

Casca de amêndoa

0 18.559 10 16.469 15 15.424

0 19.437 20 15.257 40 11.077

Cortiça das árvores

Tipo Coníferas

Tipo Frondoso

0 18.225 20 14.087 40 9.948

Poda de frutíferos

0 17.890 20 13.836 40 9.781

Palha de cereais

0 17.138 10 15.173 20 13.209

30 11.286 - - -

Caroço de uva

0 18.894 25 13.543 50 8.193

121

CAPÍTULO 7

EQUAÇÕES UTILIZADAS NO DIMENSIONAMENTO E DETERMINAÇÃO

DA EFICIÊNCIA DO GASEIFICADOR DE BIOMASSA

Neste capítulo, apresentam-se todos os cálculos e equações utilizadas para o

dimensionamento do gaseificador e balanço de energia, de modo a determinar a

eficiência do gaseificador.

7.1 DIMENSIONAMENTO DO GASEIFICADOR

Para conhecer a área da garganta (região de oxidação), conhecendo o fluxo de

biomassa e a capacidade especifica de processamento estabelecido no capitulo

anterior, pode-se escrever a seguinte equação:

)(gargantadaArea

)./(ntoprocessamedeespecificaCapacidade

)/(biomassadaoAlimentaçã

mhkg

hkg

(1)

08,0

)./(1250

)/(100

mhkg

hkg

A área da garganta é de 0,08 m

. Portanto, o diâmetro desta região será de 0,32

m, e de acordo com Reed e Dass, 1989, o diâmetro na região de pirólise será o dobro

da região da garganta, ou seja será 0,64 m.

Como mencionado no capitulo anterior, o volume da região de redução deverá

ser maior de 0,5 m

por cada m

da zona da garganta. Como a área da região da

garganta é 0,08 m

, o volume da região de redução deverá ser de 0,04 m

. Com estes

parâmetros pode-se dimensionar do corpo do gaseificador. As características de

construção são mostradas na tabela 7.1. O gaseificador e suas respectivas dimensões e

principais partes são apresentadas nos Anexos (Plano N° 14) e o gaseificador já

acoplado é apresentado nos Anexos (plano N° 13).

122

Tabela 7.1: Principais características da construção do gaseificador

CONCEITO CARACTERISTICAS

Material exterior

Chapa de aço ao carbono, espessura 5

Diâmetro exterior

912 mm

Juntas de união entre o corpo principal

e a parte inferior do gaseificador

Aço carbono de 1,5 cm de espessura com

50 buracos de 13 mm de diâmetro com

parafusos de 12 mm para a união entre os

corpos.

Material da grelha

Aço refratário AISI 310

Material interior

Cimento refratário

Diâmetro interior

0,64 m

Diâmetro da garganta

0,32 m

Material do sistema de injeção de ar

Aço Inox AISI 310

Entrada de biomassa

0,25 m de diâmetro

Saída de gases

AISI 304 de 0,046 m de diâmetro

Motor acionamento da grelha

1 CV

Motor acionamento parafuso sem fim,

retirada das cinzas

1 CV

Motor agitador interior

1 CV

Todas as soldas se realizarão mediante uso de fio com material compatível. Será feita

a solda com corrente contínua, com uso de eletrodo básico nos pontos que possam ser

considerados mais críticos.

7.2 BALANÇO DE ENERGIA

O balanço de energia contabiliza a energia total que entra no gaseificador

como sendo igual a que sai. Neste caso, se utilizará a entalpia para medir a energia

123

térmica por unidade de massa de ar, gás e cinzas. Portanto, um balanço energético do

gaseificador pode ser apresentado da seguinte forma:

macincinggaabb

Qhmhmhmhm

⋅

⋅=⋅+⋅

(2)

Sendo:

: Fluxo de biomassa que entra no gaseificador, kg/s

: Fluxo de gás produzido na gaseificação, kg/s

: Fluxo de ar introduzido no gaseificador, kg/s

cin

: Fluxo de cinzas, kg/s

: Calor perdido para o meio ambiente, kW.

: Entalpia da Biomassa (kJ/kg)

, h

: Entalpia do gás e do ar (kJ/kg)

cin

: Entalpia das cinzas, (kJ/kg)

7.2.1. CALCULO DO GÁS DE BIOMASSA (PCI

)

Como é de conhecimento, em base seca o gás de biomassa tem geralmente uma

composição de: CO

13%, C

0,19%, C

0,15%, C

0,01%, H

16%, O

0,60%,

48%, CH

2%, CO 20% [G.P.T 2005] e para calcular o P.C.I pode-se utilizar a

seguinte equação apresentada, conforme Nogueira e Lora, (2003).

PCI

= 0,126 C

+0,358 C

CH4

+0,108C

+0,59 C

C2H4

+ 0,637 C

C2H6

, (MJ/Nm

)

(3)

Onde, C

CO2

, C

CH4

, C

C2H4

, C

C2H6

, são as concentrações volumétricas do gás

produzido em “porcentagens”. Portanto resolvendo a Eq (3):

PCIg = 0,126(20) + 0,358(2) + 0,108(16) + 0,59(0,19) + 0,637(0,15)

PCIg = 5,1716 MJ/Nm

124

Este valor é bem próximo dos encontrados na literatura a respeito do PCI de gás

de biomassa.

7.2.2. CÁLCULO DA ENTALPIA DO GÁS DE BIOMASSA

Para o gás de biomassa produzido, a entalpia (h

) resulta do efeito dos vários

gases que o compõem (composição do gás em base úmida) e portanto:

= C

CO2

CH4

,+C

H2O

(4)

Onde:

elem

: Concentrações volumétricas do gás produzido em “porcentagens” (base úmida):

13,40%, H

17,90%, O

0,90%, N

40,20%, CH

3,60%, CO 13,40%, H

10,60%.

elem

: Entalpia dos elementos que compõem o gás.

A entalpia de cada um dos elementos que compõem o gás de saída pode ser

determinada utilizando os calores específicos a pressão constante (Cp) dos gases

apresentados [Perry, 1984], cujos valores estão expressos em função da temperatura

em cal/mol.°K, estes são:

Cp CO = 6,6 + 0,0012T (5)

Cp CO

= 10,34 + 0,00274T – 195500 / T

(6)

Cp H

= 6,62 + 0,00081T (7)

Cp N

= 6,50 + 0,00100T (8)

Cp O

= 8,27 + 0,000258T – 187700/T

(9)

Cp H

0 = 8,22 + 0,00015T + 0,00000134T

(10)

Cp CH

= 5,34 + 0,0115T (11)

A entalpia de cada elemento do gás é dada pela seguinte expressão:

125

∫

dTCphh

298

(12)

Sendo:

: Entalpia de formação (kJ/kmol)

T: K

Cp: kJ/kmol.K

Substituindo os calores específicos a uma temperatura de 600°C na equação

(12) (temperatura aproximada com a que o sai o gás de biomassa) e as respectivas

entalpias de formação dos elementos que compõem o gás, obtém-se a entalpia de

cada um [Perry. R, 1984].

= 17,38 kJ/mol

= 18,326 kJ/mol

= 16,714 kJ/mol

CH4

= -45,33 kJ/mol

= -92,93 kJ/mol

CO2

= -366,87 kJ/mol

H2O

= -220,752 kJ/mol

Substituindo estes valores na Eq (4), tem-se:

= 0,1340.(-366,87) + 0,0360.(-45,33) + 0,1790.(16,714) + 0,402.(17,38) +

0,09.(18,326) + 0,134.(-92,93) + 0,106.(-220,752)

= -76,5012 kJ/mol

Dividendo este valor pela massa molecular do gás (24,034 g .mol

-1

) tem-se:

126

1000

034,24

5012,76

−

mol

= -3183,04 kJ/kg

(O valor negativo deve-se a entalpia de formação de certos elementos da

composição do gás).

7.2.3. CÁLCULO DA ENTALPIA DA BIOMASSA E DO AR

Considerando uma temperatura ambiente de 25°C, mediante a Eq (12) obtém-se

a entalpia da biomassa é a entalpia de formação da biomassa mesma. Portanto,

partindo das reações de oxidação completa da biomassa, tem-se a seguinte expressão.

Biomassa + Ar = CO

+ H

O + SO

+ N

Onde, os produtos da reação são CO

, H

O, SO

(quase desprezível) e N

; os

reagentes são a biomassa e o ar. Sabe-se que o salto entálpico (∆h) é o poder

calorífico; o PCI para a biomassa lignocelulosica foi considerado como 16500 kJ/kg,

[Nogueira e Lora, 2003] então pode escrever a seguinte expressão:

∑∑

−

=−=∆

PRODUTOS REAGENTES

hfhfPCIh

(13)

Sendo:

∆h : Salto entálpico

hf : Entalpia de formação

Por outro lado, a análise elementar da biomassa em base seca é de: 45,8% de C,

5,90% de H, 0,09% de S, 0,30% de N e 47,90 % de O; considera-se nos cálculos um

127

conteúdo de umidade na biomassa de 12,10% [Arauzo, 1999]. Assim, calcula-se que

de 1 kg de biomassa obtém-se 1,67 kg de CO

, 0,531 kg de H

O e 0,0018 kg de SO

Portanto, resolvendo a Eq (13).

-PCI

BIOMASSA

= (hf

CO2

+ hf

H2O

+ hf

SO2

+ hf

) – hf

BIOMASSA

– (hf

+ hf

)

-16500 = ((1,6793 * -8946,6) – (0,531 * 15879,4) – (0,0018*4638) + 0 ) –

BIOMASSA

– 0

BIOMASSA

= -6959,59 kJ/kg

Levando em conta uma umidade de 12,10 %, tem-se que a entalpia da biomassa

será:

BIOMASSA

= (0,879 * (-6959,59)) + (0,121 * (-15879,4))

BIOMASSA

= - 8038,89 kJ/kg

Por último, a entalpia do ar à temperatura de entrada do gaseificador (250 ° C),

é de 225,7 kJ/kg.

7.2.4. PERDA DE CALOR

Substituindo todos estes resultados na equação do balanço de energia, Eq (2),

obtém-se que o calor perdido ao meio ambiente é de 32,6 kW, o sinal negativo indica

que o calor foi transferido do sistema.

+×+−×=×+−× 83,7884004,318359,2147,22519,15589,8038100

= -32,6 kW

128

7.2.5. EFICIÊNCIA DO GASEIFICADOR

Em aplicações térmicas de gaseificação, quando o gás é queimado diretamente

num forno, é mais conveniente referir-se a eficiência a quente, pois se aproveita a

energia térmica dos gases. Em aplicações de potência, como é o caso dos motores de

combustão interna e turbinas a gás, quando o gás é resfriado durante seu

acondicionamento (remoção de partículas e alcatrão), é valido referir-se a eficiência a

frio [Nogueira e Lora, 2003]. Para mas detalhes desta diferença vide a Fig. 7.1 e 7.2

bio

PCI

PCIY

FrioEficiência

=)(

(14)

Onde:

Y: Nm

do gás por kg de biomassa, 200 Nm

/h (vide Fig 6.1)

PCI

: Poder calorífico do gás de saída (kJ/Nm

), 5,1716 MJ/Nm

PCI

bio

: Poder calorífico da biomassa (kJ/kg), 16500 kJ/kg

Por tanto, temos:

bio

gas

hkg

hNm

/100

/200

6268,01000

16500

1716,52

)( =×

=FrioEficiência

Eficiência (Frio) = 62,68 % [Silveira et al., 2005] [Coronado et al., 2006]

bio

QuenteEficiência

=)(

(15)

129

Y: Kg de gás por kg de biomassa.

: Entalpia do gás de saída (kJ/kg), -3183,04452 kJ/kg

bio

: Entalpia da biomassa (kJ/kg), -8038,89176 kJ/kg

Resolvendo Y:

14,2

/100

/55,214

hkg

(vide Fig 6.3 para verificação do valor 214,55 kg/h)

0,8473=

−

−×

891,8038

0445,318314,2

)(QuenteEficiência

Eficiência (Quente) = 84,73 % [Silveira et al., 2005] [Coronado et al., 2006]

Figura 7.1. Eficiência a frio em gaseificadores [Nogueira e Lora, 2003].

130

Figura 7.1. Eficiências a quente em gaseificadores [Nogueira e Lora, 2003].

131

CAPITULO 8

SELEÇÃO DE EQUIPAMENTOS PARA O CONDICIONAMENTO E

LIMPEZA DO GÁS DE BIOMASSA

Para uma fácil e rápida compreensão dos equipamentos para a limpeza e

condicionamento do gás de biomassa utilizados na instalação de gaseificação; se

apresentará um diagrama de fluxo na figura 8.1.

8.1. DIAGRAMA DE FLUXO DA INSTALAÇÃO

A biomassa será alimentada no gaseificador por meio da coifa (T1) em intervalos

de tempo marcados pelo medidor de nível do material. Da coifa, a biomassa passa a

um cilindro de alimentação (C1) delimitado por duas válvulas, as quais evitam a saída

dos gases e asseguram a estanqueidade nesta região.

Uma vez no interior do gaseificador, o primeiro processo que sofre a biomassa é

a secagem, logo continua o processo da pirólise. Na região da garganta (região de

oxidação) se produz a injeção de ar previamente pré-aquecido oxidando os gases de

pirólise e gerando o calor necessário para a gaseificação do char.

As correntes de saída do gaseificador são duas: a) o gás gerado e b) as cinzas

junto com o char residual, cuja corrente é retirada por meio de um parafuso sem fim.

O gás gerado passa por uma primeira etapa de limpeza num ciclone (CY

) para

eliminação da maior quantidade possível de partículas sólidas que são retiradas pela

parte inferior.

O gás, uma vez limpo no ciclone, tem duas possibilidades: A primeira consiste

em introduzir este gás num sistema de leito catalítico (CT

) com a finalidade de

craquear o alcatrão arrastado em forma de vapor onde as temperaturas variam entre

500 e 600°C; com posteriores resfriamentos este vapor se condensa. Por outro lado, a

decisão final da utilização de leitos catalíticos dependerá do conteúdo de alcatrão que

se deseja obter no gás final e dos resultados finais dos testes que forem realizados. A

132

segunda possibilidade consiste em eliminar o alcatrão em futuras etapas,

especificamente nos lavadores de gás (wet escrubber).

Sem o leito catalítico, os gases depois do ciclone passam por um trocador de

calor (ar de gaseificação) (IC

); desta forma se pré-aquece aproveitando calor do gás

de saída. Este trocador dispõe de uma saída de líquidos para a eliminação de possíveis

condensados.

Numa segunda etapa, se utiliza um segundo trocador de calor (IC

) para

continuar o resfriamento do gás até uma temperatura na faixa de 100 a 125 °C,

mediante uso de água da rede, condensando nesta etapa parte do alcatrão. Finalmente,

o gás entra num sistema de lavagem de gases, onde através de um lavador de gás tipo

venturi (SC

) se retém o alcatrão (no caso de não usar um leito catalítico).

Normalmente, no sistema de lavagem, os gases saem saturados, e para evitar que

um resfriamento posterior possa condensar os líquidos ainda remanescentes no gás

antes de sua entrada ao MCI, se resfria o gás até temperaturas o suficientemente baixas

para condensar grande parte do líquido que foi arrastado (IC

/ IC

). Desta maneira se

obterá um gás não saturado, se evitando os problemas de possíveis condensações

posteriores dentro do MCI.

Depois destes processos, o gás se encontrará disponível para a sua utilização no

motor de combustão interna ou para o armazenamento do mesmo.

Figura 8.1. Fluxograma proposto para a instalação de gaseificação 100 kg/h.

134

8.2. EQUIPAMENTOS FUNDAMENTAIS

8.2.1. CICLONE

O ciclone se localiza na saída dos gases de exaustão do gaseificador, tal como se

mostra no digrama de fluxo (vide Fig 8.1), retirando os resíduos sólidos que possam

ser arrastados pelo gás. Estas partículas sólidas compõem-se principalmente de cinzas

e algumas partículas de char.

Este é um equipamento primário para remover as partículas da corrente de gás; o

seu funcionamento baseia-se no uso da força centrífuga para separar os sólidos. Uma

das principais dificuldades consiste em separar as partículas de char, que apresentam

uma típica densidade de 200 kg/m

; as cinzas apresentam uma densidade entre 600 a

1000 kg/m

; recomenda-se uma velocidade de saída dos gases de aproximadamente

15m/s [E.P.A, 1998], temperatura do gás de saída em torno de 600°C e vazão de 200

/h [vide Fig 6.1].

O desempenho do ciclone está relacionado com o tamanho da partícula (a

nomenclatura dp

significa o diâmetro de partícula capturado com 50% de eficiência).

Por outro lado, a relação entre as eficiências na captura das partículas do material é

dada pela seguinte expressão [Reed e Dass, 1989].

dp50 = ½ dp80 = 1/3 dp90 = ¼ dp95 (16)

MÉTODO DE DIMENSIONAMENTO DO CICLONE

Utiliza-se normalmente um método de iteração para calcular as principais

dimensões. Assume-se um diâmetro da tubulação de saída do gás de 0,075 m e com

este valor a velocidade do gás será calculada:

(17)

Onde:

135

Q = Vazão do gás produzido 200 Nm

/h a 600 °C (639,3 m

/h)

639,3

K273,15

K873,15

200

=∗

D = Diâmetro assumido (0,075m)

Substituindo os valores na equação (17), a velocidade do gás é de 40,21 m/s, cujo

valor é ainda acima do mínimo (15 m/s) [E.P.A., 1998]; portanto se seleciona um

tamanho de entrada do ciclone igual ao diâmetro da tubagem. Fazendo um calculo

iterativo para uma seção quadrada de 0,075 m de largura e uma altura de 0,15 m

utilizando-se a equação (17) tem-se uma velocidade do gás de entrada do ciclone de

15,78 m/s, valor ainda acima do mínimo. Com estes valores se dimensiona o ciclone

levando em conta as referências que se mostram na figura 8.2, obtém-se um diâmetro

do ciclone de 0,375m. Por outro lado calcula-se mediante a equação (18) o diâmetro

de uma partícula de “char” assumindo uma densidade típica de 200 kg/m

e uma

densidade de 1000 kg/m

para as cinzas [Reed e Dass, 1989].

Pg)π2NeVi(Pp

9µ

dpc

−

(18)

Onde

dpc = Diâmetro de partícula, µm

= Viscosidade típica do gás produzido, kg/m-s [Reed e Dass, 1989]

Ne = Altura da entrada do gás, (0,15m)

Vi = Velocidade de entrada do ciclone (15,78 m/s)

Pp = Densidade de partícula (kg/m

)

Pg = Densidade do gás produzido entre 0,5 - 0,4 kg/m

[ Reed e Dass, 1989]

Substituindo os dados na equação (20), obtêm-se um diâmetro dpc

(50% de

eficiência na remoção) para as partículas de “char” de 8,81 µm e um dpc90% de 26

µm; um dpc

para as partículas de cinzas de 3,92 µm e um dp90 de 12 µm.

136

Figura 8.2. Dimensões para um ciclone de alta eficiência [Perry, 1984] [Redd e Dass.,

1989] [Kaupp., 1984].

8.2.2. CATALISADOR (Sistema de craqueamento do alcatrão)

Depois da primeira limpeza das partículas do gás e encontrando-se este ainda

aquecido, é possível submetê-lo a um processo catalítico com a finalidade de eliminar

o alcatrão; as possíveis reações neste caso são mostradas na tabela 8.1.

Como a temperatura de saída dos gases é em média de 600 °C descartam-se

processos utilizando catalisadores como “dolomitas” e “calcitas”, que trabalham em

altas temperaturas. Pode-se usar um tipo de catalisador baseado em Níquel sobre um

suporte de alumina ou silício. Como o catalisador precisa de um processo de

regeneração, é necessário dispor de um sistema de leitos em paralelo, de modo que

quando um deles se encontra em processo de regeneração, depois da redução de sua

atividade catalítica, o gás fluirá pelo outro leito catalítico. Para determinar a

quantidade mínima de catalisador em cada um dos leitos, deve-se conhecer a relação

137

entre a vazão de gases e o volume de catalisador para um determinado conteúdo de

alcatrão na corrente gasosa.

Tabela 8.1 Tipos de reações na fase gasosa. [G.P.T., 2005]

DENOMINAÇÃO REAÇÃO T (° C) CATALISADOR

Shift CO+H

O = H

+CO

315 – 485 Óxidos de Metais

Metanação

CO+3 H

O =

250 – 450

Ni sobre Sílice –

Alumina

Reformado com

Vapor

Alcat + H

O = CO+H

550 – 1000

Níquel sobre

Alumina

Craque

Alcat ⇒ Gases

800 – 900

Dolomitas,

Calcitas e

Magnesitas

Craque

Alcat ⇒ Gases

250 – 500

Sílice – Alumina

Ni/W sobre

sílice-alumina

Hidrocraque

Alcat + H

⇒ Gases

250 - 500

Ni/W sobre

sílice-alumina

Alcat = Alcatrão

Por exemplo, catalisador de Ni-Mo sobre um suporte de Alumina requer 1 m

de catalisador por cada 1000 Nm

/h da corrente gasosa para concentração de alcatrão

de até de 10000 mg/m

. [G.P.T., 2005]. Assumindo que a saída do alcatrão prevista do

gaseificador é da ordem de 300 mg/m

do gás, implica que para um fluxo de gás de

200 Nm

/h a 600 °C será necessário aproximadamente 0,2 m

de catalisador em cada

leito, sendo o tempo de contato do leito de 1,12 seg. Este volume representará leitos

cilíndricos de 50 cm de diâmetro e 1 m de comprimento ou 35 cm de diâmetro com um

comprimento de 2 m [G.P.T., 2005].

Para a operação utilizando catalisadores, se disporá de válvulas de fluxo para

direcionar os gases para um e outro catalisador, assim como linhas “bypass” para estes

sistemas. Também se disporá de medidores de temperatura e pressão em cada leito

para monitorar tanto a sua operação como o processo de regeneração. No caso de

138

detectar algum aumento drástico da pressão diferencial ou uma elevação da

temperatura que possa chegar a estragar o catalisador, o fluxo se comunicará com o

outro leito catalítico; caso contrário se desviará o fluxo do gás para a tocha.

8.2.3. TROCADORES DE CALOR (sistema de resfriamento do gás e pré-

aquecimento do ar)

A finalidade deste equipamento é o aproveitamento energético do gás de saída

para o aquecimento do ar de gaseificação, assim como o resfriamento do gás

combustível na saída do gaseificador antes de sua entrada num sistema de lavagem de

gases. Para este caso serão utilizados 2 trocadores de tipo tubo e carcaça. No primeiro

trocador será utilizado o ar como fluido de resfriamento, e o segundo será utilizado a

água como fluido de resfriamento.

No caso do primeiro trocador, o gás chegará com uma temperatura

aproximadamente de 500°C. Realiza-se uma troca de calor com o ar proveniente do

soprador (blower) para aquecê-lo antes de sua injeção no gaseificador a uma

temperatura ao redor de 250°C, diminuindo a temperatura do gás de biomassa. Nesta

primeira etapa, não se espera que se produza a condensação do alcatrão, mas se

instalará uma purga de líquidos (para os condensados) durante a fase de partida. No

segundo trocador, se resfriará o gás desde 400 °C (temperatura na saída do primeiro

trocador) até temperaturas entre 100 a 150 °C, com uso de água da rede.

Com a finalidade de facilitar a limpeza do primeiro trocador, o gás circulará pelo

interior dos tubos e estes serão de diâmetro suficientemente grande para tornar

possível a sua limpeza e manutenção, se utilizará neste caso tubos de aço inox de 1”

pol (25,4 mm) de diâmetro exterior e 0,67“ polegadas (17,02 mm) de diâmetro

interior. A disposição do trocador será vertical com a entrada do gás pela parte

superior descendo pelos dutos, facilitando a eliminação por gravidade dos

condensados (alcatrão) caso existam nesta fase.

A velocidade recomendada do fluxo de gás, para conseguir uma troca de calor

ótima, é 25 m/s [G.P.T, 2005]. O ar ao aquecer circulará a contracorrente com o gás de

139

biomassa que vai ser resfriado. O coeficiente de troca de calor nestas condições é de

15,7 W/m

°K. Para o segundo trocador o gás também fluirá pelo interior dos tubos,

neste caso o coeficiente de transferência de calor será de 40 W/m

°K. O gás se

resfriará de 400 a 150 °C e a temperatura da água da rede será e aproximadamente 20

°C, a temperatura de saída da água será de 200°C. Utilizaram-se tubos de 25,4 mm

(diâmetro exterior) * 17,02 mm (diâmetro interior). Com estes dados podemos

dimensionar estes trocadores valendo-se das fórmulas de transferência de calor.

[G.P.T, 2005].

3600

)(

.. sgeggasgasg

gas

TTCpm

−×××

(19)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∆

∆−∆

DTML

(20)

TML

gas

(21)

Onde os dados para o primeiro trocador são:

gas

: Calor Transferido, kW

g :

Fluxo do gás produzido a 500 °C (200 Nm

/h = 566,08 m

/h)

gas

: Calor Especifico a pressão constante do gás;

1,5076 kJ/Nm

.K (1,32 kJ/kg °K) (vide Fig. 8.3)

gás

: Densidade do gás; 0,41 kg/m

g. e :

Temp. do gás de entrada, 500°C

a. e :

Temp. do ar de entrada, 30° C

g. s :

Temp. do gás de saída, 400°C

a. s :

Temp. do ar de saída, 300°C

DTML: Temperatura média logarítmica °C

∆T

: T

g.e

– T

a.s =

(500 – 300)

140

∆T

: T

g.s

– T

a.e

= (400 – 30)

A : Superfície total de troca de calor, m

Os dados para o segundo trocador são:

g :

Fluxo do gás produzido a 400 °C (200 Nm

/h = 492,87 m

/h)

gas

: Calor Especifico do gás; 1,478 kJ/Nm

.K (1, 28 kJ/kg .K) (ver Fig. 8.3)

gas

: Densidade do gás; 0,47 kg/m

g.e :

Temp. do gás de entrada, 400°C

a.e :

Temp. da água de entrada, 20°C

g.s :

Temp. do gás de saída, 150°C

a.s :

Temp. da água de saída, 200°C

∆T

: T

g.e

– T

a.s

= (400 – 200)

∆T

: T

g.s

– T

a.e

= (150 – 20)

Substituindo estes valores nas fórmulas, obtêm-se os seguintes valores

apresentados na tabela 8.2.

Os coeficientes de transferência de calor foram obtidos de relatórios internos do

Grupo de Processos Termoquímicos da Universidade de Zaragoza, Espanha [G.P.T,

2005]. Já o calor específico e a densidade do gás de biomassa foram calculados a partir

dos valores específicos de cada um dos gases que compõem o gás de biomassa, em

função da pressão e da temperatura; utilizou-se a composição do gás em base seca

como sendo: 16% de H

, 20% de CO, 13% de CO

, 2% de CH

, 0,6% de O

, 48% de

, 0,19% de C

, 0,15% de C

y 0,01 de C

. A figura 8.3 mostra as variações

do calor especifico a pressão constante do gás de biomassa.

141

Tabela 8.2. Principais características dos trocadores de calor IC

, IC

Características Ar - Gás Água - Gás

Material dos Dutos

Aço Inox AISI 304 Aço Inox AISI 304

Troca de calor (kW)

8,381 20,591

DTML (°K)

516,53 283,18

Área total de troca de calor (m

)

1,033 1,82

Comprimento total dos dutos (m)

12,94 22,80

Comprimento de cada duto (m)

0,5 0,95

Número de dutos

28 24

Distância entre cada duto (m).

31,75 x 10

-3

39,68 x 10

-3

Diâmetro de carcaça (m)

0,254 0,305

VARIAÇÃO DO Cp DO GÁS COM A TEMPERATURA (0-900ºC)

y = -8E-13x

+ 2E-09x

- 1E-06x

+ 0,0007x + 1,3161

= 0,9993

1,3

1,35

1,4

1,45

1,5

1,55

1,6

1,65

1,7

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Temperatura, C

Cp, kJ/Nm3.K

1 bar

Polinómica (1 bar)

Figura 8.3. Variação do Cp a pressão constante do gás de biomassa para distintas

temperaturas.

142

Ambos trocadores terão um sensor de nível que acionará uma válvula de

descarga inferior para a eliminação de possíveis condensados que possam inundar os

equipamentos ou ser arrastados pela corrente gasosa.

8.2.4. LAVADOR DE GASES

Como explicado no capitulo 5, existem vantagens e desvantagens de realizar a

limpeza dos gases a base seca ou úmida. Quanto aos lavadores a base úmida, não há

geração de água residual e no caso dos lavadores em base seca existe a necessidade de

manutenção e troca de alguns filtros depois de algumas horas de operação. Por outro,

lado o uso de filtros cerâmicos e metálicos não é muito conhecido devido que a

maioria deles estão em fase experimental e com elevados custos.

a. LAVADORES DE GÁS A BASE SECA

a.1. FILTROS DE MANGAS (Bag Filters)

Segundo o catalogo de filtros de uma empresa conhecida no mercado (filtros de

mangas) [Prillwitz S.A http://www.prillwitz.com.ar], para a escolha do modelo, deve-

se calcular a superfície de filtragem necessária. A seguinte equação pode ser usada:

Sf = Qg / i (22)

Sendo:

Sf = Superfície de filtragem (m

)

Qg = Vazão do gás (m

/min)

i = 0 a 2,5 para produtos finos, pegajosos, de alta concentração.

i = 2,5 a 4,0 para produtos intermediários.

i = 4,0 a 7,0 para produtos grossos, secos e com baixa concentração.

143

Como o fluxo dos gases é de 200 Nm

/h (7,77 m

/min) e considerando uma

quantidade intermediaria dos produtos do gás, será usado, i = 4 m/min; esse valor é

muito próximo às velocidades recomendadas para filtros de manga 0,005 a 0,05 m/s

[Perry, 1986]. Substituindo estes valores na Eq (22), a superfície de filtragem

necessária de 1,44 m

. Segundo o catalogo da empresa, o modelo HDFT 4/1200 é o

recomendado. O filtro consta de 4 mangas com uma altura de 1,2 m. O diâmetro das

mangas será de 120 mm de poliéster montadas dentro de um cesto galvanizado. Para a

limpeza destes filtros utilizam-se jatos de ar em fluxo reverso (jatos pulsantes de ar),

ou seja, a limpeza realiza-se por meio de um pulso de ar a alta pressão que expande

fortemente a manga.

Perda de carga no filtro

A perda de carga pode ser expressa mediante a equação de Laplace, que

apresenta uma alternativa da equação de Billings e Wilder para a perda de carga em

filtros de mangas [Perry, 1984], assim:

tVCdKdPi ×××µ×=∆

(23)

Sendo:

∆Pi = Perda de carga (polegada de H

Kd = Coeficiente de resistência da camada de pó (in H

O/(cp*ft/min*g/ft

))

µ = Viscosidade (cp)

Cd = Concentração de pó no gás (g/ft

)

V = Velocidade do gás (ft/min)

= Tempo de filtragem (min)

A viscosidade do gás de saída é de 0,0336 cp (valor calculado, segundo a

composição do gás de saída) [Perry, 1984], a velocidade do gás no interior da manga

é de 0,05 m/s (velocidade recomendada); para a concentração de pó no gás foram

144

consideradas quantidades elevadas de material particulado e alcatrão presentes no gás

para o gaseificador downdraft [Graham e Bain, 1993], [Neef et al., 1999], [Hasler e

Nussbaumer, 1999], com relação ao coeficiente de resistência para a camada de pó, foi

tomado um valor máximo de 1 [Perry, 1984] e por último, considerando se um tempo

de operação para estes filtros de 10 horas. Substituindo estes dados na Eq. (23), obtém-

se uma queda de pressão para estes filtros de 63,85 polegadas H

O (0,15 bar).

b. LAVADORES DE GÁS EM BASE ÚMIDA (wet scrubber)

Para a presente instalação foi escolhido o lavador venturi tipo “Reither”. As

características destes modelos são: o venturi perfeitamente acoplado transversalmente

e o líquido de lavagem que se pulveriza por injeção axial ou transversal à baixa

pressão. Devido ao grande efeito cortante da corrente do gás, as partículas do líquido

se convertem em partículas muito finas. A elevada aceleração do gás na entrada do

equipamento e a elevada velocidade relativa provocada entre as partículas e as

gotículas é a razão da boa capacidade de separação deste tipo de lavador. O lavador

venturi influencia muito na perda de carga. Soluciona–se este problema modificando a

seção transversal da entrada ou aspirando o ar de recirculação.

O sistema “Reither”

É um lavador tipo venturi com um pistão. O princípio do funcionamento aparece

representado nas figuras 8.4, 8.5 e 8.6. O gás circula pelo interior do equipamento

antes de encontrar um estrangulamento transversal formado por dois cilindros menores

colocados horizontalmente.

O líquido de lavagem é pulverizado axialmente por bocais. É possível a

construção em aço ou aço nobre do corpo principal do equipamento. Os dados obtidos

para este sistema são do fabricante Plastoquimica S.A, situada em Zaragoza (Espanha).

145

Figura 8.4. Principio do Lavador de gases, Venturi – Reither [Plastoquimica S.A].

Figura 8.5. Sistema Venturi– Reither e separador centrifugo [Plastoquimica S.A].

146

Cálculo da perda de carga e dimensionado do Venturi.

A perda de carga é calculada pela equação dada pelo fabricante de acordo com os

parâmetros fixos da instalação.

]036,0)

1(130,0[

Pv ×××+

−+=∆

(24)

Sendo:

α : Ângulo da fenda.

: Densidade do gás (kg/m

)

∆Pv : Perda de carga (Pa)

D : Diâmetro do tubo principal (mm). (vide Fig 8.6)

: 0,5*D

: Diâmetro dos tubos transversais (mm); Fig. 8.6

: 0,25 * D

: Diâmetro de tubo transversal (pistão) (mm); Fig. 8.6

min

: Avanço do pistão; Fig. 8.6.

L : Fluxo do líquido de limpeza (l/m

do gás )

S : Fenda (garganta) (mm); Fig. 8.6

Va : Vazão dos gases à entrada do venturi (m

/h)

Vd : Velocidade do gás na entrada do venturi (m/s)

: Velocidade do gás na garganta (m/s)

Sabendo-se que o fluxo dos gases de saída é de 200 Nm

/h a uma temperatura

de 150 °C (na saída do segundo trocador de calor), com uma sobre-pressão de 0,6 atm

e que a velocidade do gás no duto principal pode ser estimada em 10 m/s. Portanto, da

equação de vazão, o diâmetro do duto principal do venturi (D) será de 82,76 mm. Do

catálogo do fabricante será escolhido um valor comercial para o duto principal de 100

mm (Tab 8.3) indicando o modelo VR-100 em chapa de aço inox.

147

Figura 8.6. Principais dimensões do Venturi – Reither. [Plastoquimica S.A].

Segundo Schifftner e Hesketh (1996), a velocidade dos gases na região da

garganta pode variar entre 27 e 121 m/s, por outro lado em lavadores venturi é

recomendado que a perda de carga não supere os 200 mbar e que o consumo de água

deve estar entre 5 a 20 l/m

de gás de biomassa [G.P.T., 2005]. Com estes dados, a

perda de carga em função do avanço do pistão é determinada de acordo com a Eq. (24)

(Vide tabela 8.4 e Fig. 8.7).

Tabela 8.3. Principais dimensões e parâmetros do lavador Venturi VR-100

(mm)

(m/s)

(l/m

)

T = 150 º C

P = 1, 6 bar.

(kg/m

)

min

(mm)

100 50 30 80 10 15 194 m

/h 1,2 15

148

Tabela 8.4. Variação da perda de carga em função da dimensão da fenda (S) e a

velocidade na garganta

(m/s)

∆Pv (Pa) cos α α

H (mm) H real

S (Fenda)

(mm)

∆Pv

(mbar)

119,56 11234,87 0,95 17,56 35,61 20,61 3,0 112,35

102,48 7925,14 0,95 18,31 37,23 22,23 3,5 79,25

89,67 5826,48 0,95 19,02 38,79 23,79 4,0 58,26

79,70 4421,53 0,94 19,71 40,30 25,30 4,5 44,22

71,73 3440,79 0,94 20,36 41,76 26,76 5,0 34,41

65,21 2733,05 0,93 21,00 43,17 28,17 5,5 27,33

59,78 2208,38 0,93 21,60 44,55 29,55 6,0 22,08

55,18 1810,65 0,93 22,19 45,89 30,89 6,5 18,11

51,24 1503,47 0,92 22,76 47,20 32,20 7,0 15,03

47,82 1262,42 0,92 23,31 48,48 33,48 7,5 12,62

44,83 1070,69 0,91 23,85 49,73 34,73 8,0 10,71

42,20 916,38 0,91 24,37 50,95 35,95 8,5 9,16

39,85 790,92 0,91 24,87 52,15 37,15 9,0 7,91

37,75 688,00 0,90 25,36 53,33 38,33 9,5 6,88

35,87 602,91 0,90 25,84 54,49 39,49 10,0 6,03

34,16 532,08 0,90 26,31 55,62 40,62 10,5 5,32

32,61 472,76 0,89 26,77 56,74 41,74 11,0 4,73

31,19 422,81 0,89 27,21 57,84 42,84 11,5 4,23

29,89 380,57 0,89 27,65 58,93 43,93 12,0 3,81

28,69 344,70 0,88 28,07 60,00 45,00 12,5 3,45

27,59 314,12 0,88 28,49 61,06 46,06 13,0 3,14

Para poder controlar o funcionamento do venturi, deve ser colocado no mesmo

um medidor de pressão diferencial, que permitirá ajustar a posição da garganta

regulável do venturi e conseguir a separação das partículas.

149

8.2.5. EQUIPAMENTO ELIMINADOR DE UMIDADE.

O objetivo deste sistema é eliminar a maior fração possível de água contida no

gás na saída do sistema de lavagem de gases (venturi - separador). Portanto, este gás

será resfriado mediante uma unidade frigorífica condensando boa parte da água

contida no mesmo.

PERDA DE CARGA RESPECTO AO AVANÇO DO PISTÃO

1,00

10,00

100,00

1000,00

20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 60,00

AVANÇO DO PISTÃO, mm

PERDA DE CARGA, mbar

Figura 8.7. Perda de carga respeito ao avanço do pistão.

A Fig 8.8 mostra a quantidade de água contida no gás de biomassa. [G.P.T.,

2005]. Como o gás de combustível (gás de biomassa) não precisa que seja de baixas

temperaturas, o sistema contará com dois trocadores – condensadores (vide Fig. 8.9).

O primeiro é um trocador a contracorrente entre o gás proveniente do venturi -

separador e o gás de saída de menor temperatura proveniente do segundo trocador que

faz parte do eliminador de umidade. No segundo trocador se utilizará um fluido

150

refrigerante proveniente de uma unidade frigorífica para resfriar o gás a temperaturas

perto de 10°C, se condensando boa parte da água ainda presente neste gás. Este mesmo

gás será recirculado no trocador de calor 1 e aquecido até 18 ºC para a alimentação do

M.C.I. Antes da entrada ao motor, se deverá instalar um medidor de vazão, um

medidor de temperatura e um de pressão. Também se deverá instalar um aceso à linha

do gás a fim de recolher algumas mostras para conhecer a composição e o conteúdo

de alcatrão do gás de biomassa.

Temperatura do gás em função do conteudo de agua

de saturação

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

010203040

T ºC

kg H2O/kg gás

Figura 8.8. Teor da água no gás de biomassa em função da temperatura [G.P.T. 2005].

8.3. EQUIPAMENTOS ADICIONAIS

8.3.1. SOPRADOR (Blower)

É preciso dispor de um soprador capaz de fornecer a quantidade de ar

consumida pelo gaseificador. A pressão de fornecimento necessária não é elevada já

que o sistema opera a pressão atmosférica, por isso um soprador que forneça ar a 0,7

bar será suficiente.

151

Figura 8.9. Sistema eliminador de umidade [G.P.T, 2005].

A vazão de ar, considerando a alimentação de biomassa no gaseificador, é de 120

/h de ar, aplicando um fator de segurança de 20%, a escolha do soprador deverá

ter uma capacidade de 145 Nm

/h (vide Tab 8.5).

Tabela 8.5. Características principais do soprador (blower) [G.P.T, 2005].

Vazão máxima

145 Nm

Pressão de descarga

0,5 bar

Potência estimada

5 kW

Tipo recomendado

Lóbulos, lubrificada por óleo.

8.3.2 COMPRESSOR

Será preciso dispor de um compressor que proporcione a vazão de ar necessário

para a manobra das válvulas pneumáticas do sistema de alimentação de biomassa

152

assim como as demais válvulas ou dispositivos pneumáticos que forem necessários na

instalação. O compressor deverá operar a 10 bar de pressão aproximadamente.

153

CAPÍTULO 9

ESTUDO ECONÔMICO E FINANCEIRO DA INSTALAÇÃO

Neste capítulo realiza-se um estudo prévio dos investimentos e dos custos

associados à instalação de sistemas com uso de gaseificadores de biomassa para

acionamento de conjunto Motor de Combustão Interna / Gerador Elétrico. São

considerados os custos operacionais tanto do gaseificador como dos equipamentos

para o acondicionamento e limpeza do gás de biomassa. O estudo financeiro permite

determinar a Taxa Interna de Retorno (TIR) e o Valor Presente Líquido (VPL) (vide

Anexos). Considera-se uma vida útil de 15 anos para os cálculos da receita anual

esperada com base na economia pela redução do consumo de energia via rede elétrica.

9.1 BENEFÍCIOS DO USO DE GÁS DE MADEIRA

No aspecto econômico alguns fatos devem ser abordados:

• A possibilidade do não uso de combustíveis fosseis para a produção de

eletricidade;

• A utilização de resíduos florestais inapropriados para a elaboração industrial;

• Os recursos como a lenha, poderiam cobrir as necessidades de interconexão a

rede elétrica durante muito tempo, reduzindo o custo marginal de escansão da

rede.

• A possibilidade de criação de novos postos de trabalho na colheita, transporte e

preparação da lenha.

• Evita-se o transporte de óleo diesel (entre outros combustíveis) de longas

distâncias, cujos custos crescem continuamente.

• Custos consideravelmente menores, por kWh de eletricidade produzido, com

gás de madeira com relação, por exemplo, ao óleo diesel.

• Possibilidade de promover uma auto-suficiência regional, sem depender do

clima e do óleo diesel.

154

9.2. ESTUDO ECONÔMICO

9.2.1. CUSTOS DOS EQUIPAMENTOS E OBRA CIVIL

Para o caso do conjunto motor/gerador adaptado para queima de gás de

biomassa, tem se para um motor/gerador de 50 kW um valor estimado em 48800 €

(Euros), para um motor/gerador de 600 kW é estimado um custo de 270.000 € e para

um motor/gerador de 1,9 MW um custo de 602.410 €. (Dados reais de fabricantes).

No caso da estimativa de custos, optou-se pela técnica de Boehm (1987) e

adaptada por Silveira (1990) para obter os custos de equipamentos, a técnica se baseia

na seguinte equação, a figura 9.1 ilustra esta técnica:

CrC

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

= .

(25)

Onde:

C : Custo de equipamento para uma grandeza de interesse S;

m : Fator de incidência que indica a escala de economia (0,5 – 1). Tab (9.1)

Cr : Custo de equipamento para uma grandeza de referência Sr.

Para aplicar tal técnica são requeridas as seguintes etapas:

- Caracterização do equipamento

- Identificação de Cr, Sr e m

- Incidência da grandeza de interesse sobre S

min

e S

max

- Correção do fator “m” por opções típicas de equipamentos [Vian, 1991]

Desta maneira, com o conhecimento do investimento “Cr” para uma planta de

capacidade “Sr”, calcula-se facilmente o investimento “C” necessário para outra

planta semelhante, mas de capacidade distinta “S”, desde que se tenha o valor do fator

de incidência “m”. Esta regra é válida também para equipamentos e máquinas em

155

particular, mas neste caso é preciso conhecer o preço do outro equipamento ou

máquina semelhante. A necessária semelhança implica identidade na forma e no

material de construção.

Fig. 9.1. Metodologia para a determinação de custo de equipamento [Boehm,1987].

a. Estimativa de custo do Motor/Gerador

A partir da técnica descrita anteriormente, pode-se determinar o custo do

motor/gerador usando a seguinte equação:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(26)

Onde:

C: Custo do motor, € (Euros)

P: Potência do motor, MW

m: Fator de incidência 0,7 [G.P.T, 2005].

156

Tabela 9.1. Valores do “m” para equipamentos de química industrial [Vian, 1991]

Tipo de Equipamento (e

parâmetro funcional)

Tipo “m”

- Centrífugo 0,87

Aspiradores de gás (Vazão)

- De hélice 0,87

- De vácuo 0,41

- De embolo 0,60

- Centrífugas 0,52 – 0,76

- Rotatórias 0,60 – 0,70

Bombas (vazão)

- De diafragma 0,50 – 0,65

- De duplo tubo 0,56

Trocadores de calor (superfície

de troca de calor)

- De tubos e carcaça (extremo

flutuante)

0,60

- Ciclones simples e múltiplos 0,84

Coletores de pó (vazão)

- Eletrostáticos 0,77 – 0,98

Compressores (vazão)

- de um ou mais efeitos 0,73

Catalisadores (volume)

- Descontínuos e a vácuo 0,40 – 0,45

- Cilindros pequenos (3 a 10 at) 0,40

- Esféricos (3 – 12 at) 0,65

- Gasômetros 0,60

Equipamentos de

armazenamento (volume)

- Cilindros, grande porte 0,66

- Trituradores 0,57 – 0,78

- Moinhos de bolas e tubulares 0,60 – 0,72

Desintegradores mecânicos

(potência e capacidade de

produção)

- Pulverizadores 0,70 – 0,80

Filtros (superfície de filtragem)

- Qualquer tipo 0,58 – 0,66

Sopradores (vazão)

- Centrífugos 0,60

157

Utilizando, como já foi dito anteriormente, os custos reais para motor/gerador de

50 kW estimado em 48800 € (Euros), para um motor/gerador de 600 kW é estimado

um custo de 270.000 € (Euros), e para um motor/gerador de 1,9 MW este é estimado

em 602.410 € mencionados anteriormente na Eq (26), pode-se escrever a seguinte

equação:

7,0

9,1

602410/

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

×=

geradormotordoCusto

(27)

Neste caso, pode-se determinar o custo do motor/gerador de 100 kW necessário

para a instalação em estudo, que será de 76700 €. Para o caso dos motores/geradores

com reatores downdraft, o custo associado ao sistema de gaseificação inclui: Área de

alimentação, gaseificador, equipamentos de limpeza e equipamentos para o

condicionamento dos gases, tem-se os seguintes valores: Para um reator de 50 kg/h de

alimentação de biomassa, o custo estimado é 53.800 €, já para um reator de 250 kg/h

de alimentação de biomassa, o custo estimado é 180.700 €, para um reator de 500 kg/h

o custo estimado é 283.100 €, e para um reator de 600 kg/h, o custo estimado é

374.000 €. Os preços foram obtidos de dados reais do G.P.T. Os equipamentos de

limpeza e condicionamento do gás incluem ciclones, lavadores de gás tipo venturi,

torres de absorção, trocadores de calor e secadores de gás. Não incluem nenhuma

classe de filtros.

Seguindo esta técnica para a estimativa de custos, pode-se ter com relação à área

de gaseificação, a seguinte equação:

78,0

600

374000

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

×=

ãoGaseificaçdeSistemadoCusto

(28)

Portanto, o custo do sistema de gaseificação para 100 kg/h de alimentação de

biomassa será de 92.450 € (E

UROS).

158

Para o custo da instrumentação e controles eletro-mecânicos, considera-se como

10% do custo total da instalação, para os custos de obra civil 14% do custo total da

mesma e para o custo da engenharia de projeto considera-se como 35% do custo total

[G.P.T, 2005]. Os resultados dos custos obtidos para o sistema gaseificador de 100

kg/h de alimentação são apresentados na tabela 9.2.

9.2.2. CUSTO DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÂO

Nesta seção estima-se o custo de operação e manutenção da instalação, que

incluem, o custo da biomassa, os gastos com pessoal que trabalha na instalação, os

gastos de manutenção, entre outros. Com estes valores pode-se avaliar o resultado

econômico da instalação em função da tarifa praticada para compra de eletricidade

(quando da conexão em rede elétrica), ou do custo marginal de expansão do setor

elétrico (quando do caso de região desprovida de eletrificação).

Tabela 9.2. Custos de equipamentos do sistema de gaseificação para uma alimentação

de 100 kg/h de biomassa lignocelulosica. 1,33 US$ = 1 € (Taxa de cambio Março

2007) [G.P.T, 2005]

CONCEITO €

Motor / Gerador 76.700

Sistema de alimentação + Gaseificador +

Sistema de limpeza de gases

92.450

Bombeio 7.000

Tubagens 15.000

Flare

3.000

Retirada de cinzas 6.000

Subtotal 200.150

Instrumentação (10 %) 48.817

Obra civil (14 %) 68.344

Engenharia do projeto (35 %) 170.860

TOTAL (€) 488.171

TOTAL (US$) 649.267

159

a. Custo da Biomassa.

No caso dos resíduos de madeira e lenha pode-se adotar um custo inferior e até

mesmo nulo (caso de resíduos). Para prover de dados reais ao analises financeiro a

seguir, considera-se para a biomassa um custo de US$ 5000 por ano.

b. Custo de manutenção

O custo de manutenção anual será de 3% do custo total do investimento

necessário para a instalação [G.P.T, 2005].

C. Custo de mão de obra.

O custo de pessoal de operação para estas instalações é bastante reduzido, isto se

deve a introdução de sistemas automáticos de monitoramento e controle das

instalações, que pode ser operada por 1 homem, assim sendo, não se considera o preço

da mesma nos cálculos financeiros.

D. Custos de amortização (depreciação)

Considera-se um tempo de amortização do investimento de 15 anos, com

pagamentos sendo efetuados num valor fixo e constante ao ano.

9.3. ESTUDO FINANCEIRO

Não há duvida de que os gaseificadores de madeira desempenharam um papel

importante no passado, principalmente na crise de petróleo. Hoje, com o elevado custo

dos derivados de petróleo e devido as questões ambientais, tem havido um interesse

crescente de uso desta tecnologia, por parte dos pesquisadores, organismos

internacionais e membros governamentais de vários países, de modo a reduzir a

160

importação dos combustíveis derivados de petróleo, sobretudo nos países que dispõem

de grandes recursos de biomassa, como é o caso do Brasil.

O impacto da gaseificação de biomassa sobre os sistemas de oferta de energia

nos países em desenvolvimento depende de vários fatores entre os quais,

modernização de tecnologia, desenvolvimento dos gaseificadores, e de ajuda

econômica por parte dos governos dos países envolvidos para o investimento de novas

tecnologias limpas, e de grande interesse nas regiões limitadas ao acesso a rede

elétrica.

Para o presente estudo financeiro, considera-se que a instalação estará localizada

em regiões onde o acesso à rede elétrica é quase impossível, e que as necessidades

energéticas (para uma comunidade isolada de pessoas) incluem necessidades básicas

diárias e as necessidades de iluminação nas noites. Por outro lado, a disponibilidade

dos recursos renováveis, como é o caso da biomassa lignocelulósica próprias destas

regiões, representa um custo bem reduzido.

Considerando um subsídio governamental, de entidade privada ou de entidades

internacionais interessadas neste tipo de sistemas, ao redor 30 % do custo total do

investimento, a receita é baseada na economia anual esperada no caso do consumo da

energia elétrica (tanto do ponto de vista de proximidade de rede, pela tarifa de

eletricidade, como do ponto de vista de comunidade isolada, neste caso baseando-se no

custo marginal de expansão do setor elétrico). Para o cálculo, considera-se um custo da

eletricidade de 0,281 R$/kWh – 0,138 US$/kWh [Aneel, 2007]. Considerando-se que

a potência instalada para a comunidade seja de 90 kW , e que o conjunto gaseificador e

motor/gerador para 100 kg de biomassa (pode gerar até 100 kW), trabalhará em carga

parcial para toda a geração da potência necessária, com uma operação de 15 horas ao

dia, totalizando 492.750 kWh/ano. Portanto, as poupanças anuais que se conseguiriam,

atingiriam US$ 68.042,98 ao ano.

Por outro lado, dos 70% restante do custo total do investimento (US$ 454.487,

(30 % de subsídio governamental)), considera-se que 10 % será financiado de fundos

próprios da comunidade de proprietários (US$ 45.448,7) e que os 90 % restante será

coberto por uma entidade financeira (US$ 409.038,3), com taxa anual de juros de 5 %

161

(tempo de financiamento de 15 anos). Adota-se também uma valor de 30% em

impostos (sobre o valor total do investimento), com uma inflação anual de 3,5%.

Assim, tem-se um Valor Presente Líquido (VPL) de US$ 113.242,5 e uma Taxa

Interna de Retorno (TIR) de 19% para uma taxa de desconto considerada igual a taxa

anual de juros. (vide figuras 9.2, 9.3 e 9.4).

9.3.1. FLUXO DE CAIXA, TAXA INTERNO DE RETORNO (TIR) E VALOR

PRESENTE LIQUIDO (VPL)

A seguir apresentam-se os cálculos para a construção do fluxo de caixa, (Tab

9.3). A teoria para o calculo da Taxa Interna de Retorno (TIR) e o Valor Presente

Liquido (VPL) são apresentados nos Anexos; na tabela 9.3, apresentam-se também os

resultados para estes parâmetros.

68.042,98

= (29)

68.042,98

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+×=

100

1 (30)

649.26

= (31)

0,03 B ×= (32)

5000C = (33)

-B -

= (34)

(

)

= (35)

= (36)

G ×=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

100

(37)

G-

= (38)

I ×=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

100

Somente se H > 0 (39)

162

= (40)

= 45.448,7 (41)

409038,3

K =

(42)

+= (43)

= 409.038,3 (44)

EM −= (45)

Onde:

: Receita para o primeiro ano da instalação (US$)

: Receita para o segundo e consecutivos anos da instalação (US$)

B : Custo de manutenção (US$)

C : Custo da biomassa (US$)

D : Beneficio bruto (US$)

E : Custo de amortização (US$)

F : Beneficio antes dos juros (US$)

G : Custo de Juros (US$)

H : Beneficio antes dos impostos (US$)

I : Custo de Impostos (US$)

J : Beneficio Total (US$)

: Desembolso, para o ano 0 da instalação (US$)

: Desembolso, para o primeiro e consecutivos anos da instalação (US$)

CF : Fluxo de caixa (Cash Flow) (US$)

: Empréstimo para o ano 0 da instalação (US$)

: Empréstimo para o primeiro e consecutivos anos da instalação (US$)

X : Inflação (%)

Y : Custo de investimento (US$)

U : Juros (%)

V : Impostos (%)

W : Tempo de amortização e financiamento (15 anos)

163

Tabela 9.3. Fluxo de caixa, TIR e VPL (US$)

BAJ: Beneficio antes dos juros

BAI: Beneficio antes dos impostos.

Anos 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Empréstimo (EM)

409038,3 381769,04 354499,82 327230,60 299961,39 272692,17 245422,95 218153,74 190884,52 163615,30

ANOS

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

RECEITAS (A)

68042,98 70424,48 72889,34 75440,47 78080,88 80813,71 83642,19 86569,67 89599,61

CUSTOS

Manutenção (B)

19478,01 19478,01 19478,01 19478,01 19478,01 19478,01 19478,01 19478,01 19478,01

Custo de biomassa (C) 5000,00 5000,00 5000,00 5000,00 5000,00 5000,00 5000,00 5000,00 5000,00

BENEFICIO BRUTO (D)

43564,97 45946,47 48411,33 50962,45 53602,87 56335,70 59164,18 62091,66 65121,60

Amortizações (E)

30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13

BAJ (F)

13265,84 15647,34 18112,20 20663,32 23303,74 26036,57 28865,05 31792,53 34822,47

Juros (G)

20451,91 19088,45 17724,99 16361,53 14998,07 13634,61 12271,15 10907,69 9544,23

BAI (H)

-7186,08 -3441,11 387,21 4301,79 8305,67 12401,96 16593,90 20884,84 25278,24

Impostos (I)

0,00 0,00 116,16 1290,54 2491,70 3720,59 4978,17 6265,45 7583,47

BENEF. TOTAL (J)

-7186,08 -3441,11 271,04 3011,26 5813,97 8681,37 11615,73 14619,39 17694,77

Amortizações (E)

30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13

DESEMBOLSO (K)

-45448,70 27269,22 27269,22 27269,22 27269,22 27269,22 27269,22 27269,22 27269,22 27269,22

Fluxo de caixa (Cash Flow)

-45448,70 -4156,16 -411,20 3300,96 6041,17 8843,88 11711,29 14645,65 17649,30 20724,68

164

Fluxo de caixa (US$) (continuação)

10 11 12 13 14 15

92735,59 95981,34 99340,69 102817,61 106416,23 110140,80

TIR 19%

VPL 113.242,5

19478,01

19478,01 19478,01 19478,01 19478,01 19478,01

5000,00 5000,00 5000,00 5000,00 5000,00 5000,00

Impostos (V) 30%

68257,58 71503,33 74862,68 78339,60 81938,22 85662,78

Juros (U) 5,0%

30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13

Amortização (W) 15 anos

37958,45 41204,20 44563,54 48040,47 51639,09 55363,65

Tempo de financia. (W) 15 anos

8180,77

6817,30 5453,84 4090,38 2726,92 1363,46

29777,69 34386,89 39109,70 43950,09 48912,16 54000,19

8933,31

10316,07 11732,91 13185,03 14673,65 16200,06

20844,38 24070,83 27376,79 30765,06 34238,51 37800,13

30299,13

30299,13 30299,13 30299,13 30299,13 30299,13

27269,22 27269,22 27269,22 27269,22 27269,22 27269,22

23874,29 27100,74 30406,70 33794,97 37268,43 40830,05

10 11 12 13 14 15

136346,09 109076,87 81807,65 54538,43 27269,22 0,00

165

9.3.2. Análise de sensibilidade

TIR com relação ao Custo de Investimento

10%

14%

18%

22%

26%

30%

500000 540000 580000 620000 660000 700000 740000

Custo de Investimento (US$)

TIR %

Figura. 9.2. Variação da TIR considerando diminuição do custo de investimento.

Potência Instalada com relação ao VPL

103

30000 60000 90000 120000 150000 180000

VPL (US$)

Figura. 9.3. Variação do VLP considerando aumento da potência instalada.

166

TIR com relação ao preço de electricidade

16%

24%

32%

40%

48%

0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2

US$/kWh

TIR %

Figura 9.4. Variação do TIR considerando um aumento do preço da energia elétrica.

PAYBACK

-50000,00

-40000,00

-30000,00

-20000,00

-10000,00

0,00

10000,00

20000,00

30000,00

01234567

ANOS

CASH FLOW (US$)

Figura 9.5. Retorno do Custo do Investimento (Payback).

167

CAPITULO 10

CONCLUSÕES

Os resultados e valores encontrados neste trabalho são fortemente dependentes

do conteúdo de umidade na biomassa processada e do tempo de residência da

biomassa no interior do gaseificador, sendo que este último parâmetro, influência no

projeto do sistema de remoção de resíduos, e portanto, no dimensionamento da

garganta. Deverá se assegurar da hermeticidade do gaseificador e o correto sistema de

alimentação de biomassa com a finalidade de alcançar um bom funcionamento da

planta. Dois equipamentos primordiais, quanto ao condicionamento do gás de

biomassa, são os trocadores de calor e os lavadores úmidos de gás (wet scrubber).

No caso do uso de catalisadores para a eliminação do alcatrão, é recomendado

que para trabalharem em elevadas temperaturas, a eliminação seria mais eficiente se o

gás opera acima de 600 °C. Se a preferência não for para trabalhar com catalisadores,

a melhor opção é o uso de lavador úmido de gás (wet scrubbers), seguidos de torres de

absorção, ambos comercialmente disponíveis no mercado. O uso de precipitador

eletrostático pode se tornar inviável economicamente, tendo em vista o seu elevado

custo. Por outro lado, a eleição de filtros cerâmicos está condicionada a sua

manutenção e contínuos problemas de obstrução e limpeza periódica do mesmo.

Espera-se um maior desenvolvimento destes sistemas no futuro, no entanto, o seu uso

esta sendo orientado para instalações de gaseificação de grande porte.

Comparando os custos de pequenos gaseificadores downdraft com pequenos

gaseificadores de leito fluidizado, estes últimos são indicados quando se querem

produzir potências acima de 1 MW. Para o uso de gás de biomassa por gaseificação

em MCI, para o uso de gaseificadores downdraft, recomenda-se um limite máximo de

1000 kg/h de biomassa de alimentação. Acima deste valor, a escolha apropriada seria

gaseificador de leito fluidizado com turbina a gás de baixa potência e adaptada para a

queima deste gás.

168

A metodologia de dimensionamiento é baseada principalmente na experiência do

Grupo de Processos Termoquímicos - GPT da Universidade de Zaragoza – UNIZAR

(Espanha), especificamente na construção de gaseificadores downdraft de grande e

pequeno porte. Seguiram-se também as recomendações encontradas na bibliografia

disponível com algumas modificações propostas no presente projeto. Recomenda-se

que esta metodologia utilizada neste trabalho seja adaptada para outras situações

incorporando-se as distintas condições de operação. Pode-se considerar que a

metodologia desenvolvida neste trabalho seja um ponto de partida para análise de

outros casos.

Do balanço energético desenvolvido para o gaseificador de biomassa, obteve-se

uma eficiência a frio de 62,68% e uma eficiência a quente de 84,73%. Ambos os

resultados estão de acordo aos dados encontrados na literatura e em protótipos

desenvolvidos por outros pesquisadores.

De acordo com o estudo econômico e financeiro realizado para o gasificador de

100 kg/h de alimentação de biomassa lignocelulósica, tem-se um Valor Presente

Líquido (VPL) de US$ 113.242 e uma Taxa Interna de Retorno (TIR) de 19%

considerando uma taxa de desconto igual a taxa anual de juros. Na seção 9.3.1

apresentou-se o fluxo de caixa do presente estudo. Como se pode observar nesta

tabela, o valor do investimento, levando-se em conta todas as considerações

mencionadas, é recuperado a partir do quarto ano.

Recomendam-se como sugestões de trabalho futuros:

-Análise Exergética do sistema proposto.

-Análise Termoeconômica do Sistema Proposto;

-Estudo de Sistemas de Gaseificação de portes menores do que 100 kW para o

fortalecimento da geração distribuída nos países em desenvolvimento.

-Uso de outras metodologias de análise econômica.

169

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178

ANEXOS

179

1. VPL (Valor Presente Líquido)

O valor presente líquido (VPL) é o valor presente de pagamentos futuros

descontados a uma taxa de juros apropriada, menos o custo do investimento inicial.

Basicamente, é o calculo de quanto os futuros pagamentos somados a um custo inicial

estaria valendo atualmente. Temos que considerar o conceito de valor do dinheiro no

tempo, pois, exemplificando, R$ 1 milhão hoje, não valeria R$ 1 milhão daqui a um

ano, devido ao custo de oportunidade de se colocar, por exemplo, tal montante de

dinheiro na poupança para render juros. É um método padrão nas finanças para a

análise do orçamento de capitais - planejamento de investimentos em longo prazo.

Usando o método VPL um projeto de investimento potencial deve ser empreendido se

o valor presente de todas as entradas de caixa menos o valor presente de todas as

saídas de caixa (que iguala o valor presente líquido) for maior que zero. Se o VPL for

igual a zero, o investimento é indiferente, pois o valor presente das entradas é igual ao

valor presente das saídas de caixa; se o VPL for menor do que zero, significa que o

investimento não é economicamente atrativo, já que o valor presente das entradas de

caixa é menor do que o valor presente das saídas de caixa. Para cálculo do valor

presente das entradas e saídas de caixa é utilizada a TMA (Taxa Mínima de

Atratividade) como taxa de desconto. Se a TMA for igual à taxa de retorno esperada

pelo acionista, e o VPL > 0, significa que a sua expectativa de retorno foi superada e

que os acionistas estarão esperando um lucro adicional a qualquer investimento que

tenha valor presente igual ao VPL. Desta maneira, o objetivo da corporação é

maximizar a riqueza dos acionistas, os gerentes devem empreender todos os projetos

que tenham um VPL > 0, ou no caso se dois projetos forem mutuamente exclusivos,

deve escolher-se o com o VPL positivo mais elevado.

FORMULA

O valor presente líquido para fluxos de caixa uniformes, pode ser calculado

através da seguinte fórmula, onde t é a quantidade de tempo (geralmente em anos) que

180

o dinheiro foi investido no projeto, n a duração total do projeto (no caso acima 6 anos),

i o custo do capital e FC o fluxo de caixa naquele período.

Se a saída do caixa é apenas o investimento inicial, a fórmula pode ser escrita

desta maneira: Em que

representa os valores dos fluxos de caixa de ordem "j",

sendo j = 1, 2, 3, ..., n;

representa o fluxo de caixa inicial e "i" a taxa de juro da

operação financeira ou a taxa interna de retorno do projeto de investimentos.

Para fluxos de caixa uniformes ou não, podemos utilizar a fórmula abaixo:

2. TIR (TAXA INTERNA DE RETORNO)

A Taxa Interna de Retorno (TIR), em inglês IRR (Internal Rate of Return), é a

taxa que iguala o valor de um investimento (valor presente) com os seus respectivos

retornos futuros ou saldos de caixa. Sendo usada em análise de investimentos e

significa a taxa de retorno de um projeto.

A taxa interna de rentabilidade (TIR) representa de rentabilidade gerada pelo

investimento, ou seja, representa uma taxa de juro tal, que se o capital investido

tivesse sido colocada a essa taxa, obteríamos exatamente a mesma taxa de

rentabilidade final. Por outras palavras, representa uma taxa que se utilizada como

taxa de desconto, torna o VAL igual a zero. A partir do momento em que a

181

rentabilidade dos projetos de investimento seja conhecida, o critério de decisão

sobre o investimento consiste simplesmente em aceitar os que apresentam uma TIR

superior ao custo de financiamento.

FÓRMULA

()

∑

CFi = Cash-flow no ano i

t = Taxa Interna de Rentabilidade

[http://pt.wikipedia.org]

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