O desenvolvimento de modelos que representem um sistema de gaseificação de biomassa é importante para a previsão do desempenho do sistema a partir de diferentes condições de operação. Sabendo que o equipamento industrial não opera em condições de estado estacionário, dado que algum grau de flutuação das variáveis ocorre em função do tempo (temperatura, concentração ou velocidade), ainda assim considerou-se para os modelos implementados neste trabalho o estado estacionário. No entanto, apesar de não terem sido considerados os detalhes do fenómeno que ocorrem dentro do gaseificador, os modelos considerados em estado estacionário forneceram resultados com razoável precisão. Além disso, os mesmos modelos por serem 0D permitem a simulação de gaseificadores sem grande esforço computacional, apresentando resultados compatíveis com os dados previstos e experimentais de literatura.
Neste estudo foram propostos três modelos de equilíbrio termoquímico para estudar um gaseificador de pequena escala, co-corrente, de leito fixo na gaseificação caroço de açaí. Os três modelos de equilíbrio implementados (modelo homogéneo, modelos heterogéneos 1 e 2) conseguiram prever com alguma precisão a composição do gás produzido, a temperatura de reacção, o poder calorífico do gás de síntese, a eficiência de gaseificação, e a conversão carbono nos produtos da reacção, conhecendo a razão de equivalência, o teor
de humidade, a pressão e a temperatura inicial dos reagentes. Os modelos também consideram o calor perdido no sistema.
Um modelo de equilíbrio estequiométrico foi proposto para constituir o modelo homogéneo. Neste modelo, considerou-se que o carbono sólido da biomassa é totalmente convertido. A abordagem estequiométrica restringe os fenómenos do sistema estudado a somente duas equações de equilíbrio.
Para os modelos heterogéneos, um modelo de equilíbrio estequiométrico também foi proposto. Neste caso, os sistemas estudados consideram o carbono não convertido nos produtos. No modelo heterogéneo 1 são impostos valores de quantidade de carbono não convertido por mole de combustível, tendo sido consideradas as mesmas equações de equilíbrio do modelo homogéneo. No modelo heterogéneo 2 foi calculada a quantidade de carbono não convertido por mole de combustível, tendo sido consideradas outras três equações de equilíbrio.
Para estes modelos de equilíbrio químico foram desenvolvidos balanços de massa e de energia e validado o modelo homogéneo. As simulações numéricas conseguiram estimar a influência da razão de equivalência e o teor de humidade sobre a composição do gás de síntese resultante. As composições de gás de síntese obtidas para a simulação de diversas condições operacionais são comparadas com os resultados dos outros autores na literatura. Deste modo, desenvolveu-se uma ferramenta validada, em que as composições de gás de síntese são comparadas com os outros resultados simulados ou experimentais, importante para a optimização de diversos parâmetros do processo de optimização. O modelo foi validado com os resultados numéricos e experimentais de Jayah et al. (2003) e os resultados previstos por Melgar et al. (2007) e por Rodrigues (2008), a partir da gaseificação de seringueira (validação 1); também foram validados com os resultados simulados por Tinaut et al. (2010) na gaseificação de casca de pinheiro (validação 2); e por fim, foram validados com os resultados experimentais de Santos (2011) - validação 3. De um modo geral, os resultados obtidos através deste tipo de modelo de equilíbrio homogéneo mostraram uma boa concordância com os outros resultados simulados e experimentais da
literatura. Na validação 1, o modelo 1D de Jayah et al. (2003) é o que mostra melhor precisão em relação aos modelos 0D. A maior diferença entre o presente modelo e os modelos em discussão foram nos valores de metano e de hidrogénio, em que CH4 é subestimado e H2 sobrestimado por este modelo.
Na validação 2, os resultados obtidos neste trabalho tiveram boa concordância com os previstos por Tinaut et al. (2010). Porém, verificou-se que os maiores valores dos desvios relativos foram para o teor de metano, CH4, com um
máximo de 4% (para h=20% e ϕ=3). Por último na validação 3 os resultados previstos em geral concordam com os dados experimentais, excepto para o caso de CH4. Para uma razão de equivalência 2,14 os valores das
percentagens de CO e H2 previstas por este modelo aproximam-se mais dos
valores experimentais de Santos (2011). Em contrapartida, para CO, H2 e CH4
os valores previstos aproximam-se mais dos resultados experimentais de Santos (2011) quando ϕ =2,33.
Os efeitos da razão de equivalência, do teor de humidade sobre a composição de gás de síntese, temperatura de gaseificação, poder calorífico inferior do gás de síntese, eficiência de gaseificação e conversão de carbono foram avaliados. Os resultados das simulações deste trabalho podem ser resumidos como se segue:
- No modelo homogéneo o estudo de sensibilidade à variação de razão de equivalência mostrou que as concentrações de CO e H2 são máximas perto de
uma razão de equivalência aproximadamente de 2,2 e o metano aumenta à medida que aumenta a razão de equivalência. Quanto à variação de teor de humidade não considerando as elevadas percentagens de CH4 para elevadas
razões de equivalência e a partir dos resultados experimentais e numéricos considerou-se que o melhor valor de razão de equivalência é aproximadamente 2,2. A redução dos gases CO e H2 resultam na redução significativa do poder
calorífico inferior do gás síntese. Verificou-se no estudo de sensibilidade à variação das perdas de calor que estas tiveram maior efeito na eficiência de gaseificação, em que diminui cerca de 3% para cada aumento de 5% na perda de calor.
- No estudo da variação de carbono imposto nos produtos da reacção, no modelo heterogéneo 1, pode ser visto que os resultados previstos de CH4 para
uma razão de equivalência de 2,14, 10% de perdas de calor do gaseificador para o exterior e 97,6% de carbono convertido nos produtos são próximos dos dados experimentais de Santos (2011). As percentagens máximas de CO2, H2
e CH4 para um teor de humidade fixo e 100% de carbono convertido situam-se
para maiores intervalos de razão de equivalência enquanto que as percentagens de CO e N2 situam-se para razões de equivalência inferiores.
- No modelo heterogéneo 2, o estudo da conversão de carbono mostrou que se obtém carbono não convertido nos produtos para ϕ>3,1 e h=15,48%. Neste estudo verificou-se que para ϕ=2,2 e teores de humidade 10%<h<40% o carbono é totalmente convertido. Para 15,48% de humidade, ϕ=3,16 e não considerando perdas de calor no gaseificador verificou-se que os resultados do modelo heterogéneo 2 com 99,66% de carbono convertido em relação à fracção molar de CO aproximavam-se mais dos resultados experimentais de Santos (2011) e afastando-se para as fracções molares de H2 e CH4.