Descrição geral dos processos

A produção em larga escala de syngas através da gaseificação de biomassa ainda não constitui uma alternativa tecnológica madura, e não está disponível no mercado para comercialização. Em 2010 havia somente 9 plantas de grande porte para a gaseificação de biomassa e/ou resíduos (Johansson et al., 2012).

O mesmo raciocínio pode ser aplicado a produção de combustíveis de segunda geração através da rota termoquímica, que envolve estágios tecnológicos diferentes, muitos dos quais ainda não estão disponíveis comercialmente. Entretanto, as tecnologias consideradas neste trabalho deverão estar comercialmente disponíveis em um horizonte de médio-prazo (10–15

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anos). Os modelos de processo para determinação dos balanços de massa e energia em regime permanente e uniforme de todos os cenários avaliados foram desenvolvidos no software Aspen Plus™. Considerou-se neste estudo que a biomassa será processada primeiramente no sistema de pré-tratamento (Área 100 da Figura 3.3) passando pelos processos de secagem, torrefação e trituração para redução da sua granulometria.

A gaseificação será realizada com O2 puro (95% molar) para melhorar as características

do syngas. Portanto, a Área 200 da Figura 3.3 mostra a planta da Unidade de Separação de Ar (ASU) através de uma unidade de destilação criogênica de ar, que irá separar o O2 do ar e

pressurizá-lo para que o mesmo possa ser utilizado no gaseificador.

Figura 3.3 – Estrutura geral do processo de conversão termoquímica da biomassa.

Diferentes tipos de gaseificadores estão disponíveis para a produção de syngas a partir de biomassa. Através de estudos baseados na capacidade de produção de gás, custos, complexidade operacional e eficiência foi possível determinar que as tecnologias de gaseificação mais promissoras para aplicações em larga escala são os gaseificadores de Leito Fluidizado Circulante (LFC) e Leito Arrastado (LA). Portanto, neste trabalho serão analisados os gaseificadores de LFC e LA, e no final será possível estabelecer uma comparação entre essas duas tecnologias (Área 300 da Figura 3.3).

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A Área 400 da Figura 3.3 mostra a seção de remoção das impurezas contidas no syngas. Neste trabalho serão considerados dois tipos de processos diferentes para a limpeza do syngas: limpeza úmida e limpeza seca. Na limpeza úmida a temperatura final do gás é reduzida. O sistema de limpeza úmida é formado por ciclones, reatores de craqueamento catalítico dos alcatrões, resfriadores de gás através de trocadores de calor (recuperação do calor sensível), filtros de manga, lavadores de gases e tecnologias para remoção dos compostos ácidos (compostos de enxofre e CO2) por aminas e/ou sorventes químicos. A

limpeza à seco não promove a redução da temperatura final do gás, sendo composta por uma unidade para craqueamento dos alcatrões, filtros cerâmicos, remoção dos álcalis e halogênios e absorção dos compostos ácidos.

Após a limpeza se o gás tiver um alto conteúdo de CH4 e hidrocarbonetos ele precisa ser

reformado para aumentar as concentrações de H2 e CO. Entretanto, se o objetivo for a

produção de gás natural sintético esta etapa deve ser desconsiderada. Dois principais processos estão disponíveis para realização da reforma do gás (Área 500 da Figura 3.3): reforma autotérmica e oxidação parcial. A oxidação parcial possui uma concepção mais simples e possivelmente mais barata, contudo a sua grande desvantagem é a utilização de O2

puro. Em alguns casos, após a reforma do gás é necessário realizar o ajuste da relação H2/CO

do syngas através da introdução de uma unidade de reação de deslocamento água–gás (water–

gas shift). As reações de shift podem ocorrer em somente um estágio ou em um reator de

duplo estágio.

A Área 600 da Figura 3.3 mostra a síntese dos combustíveis considerados nesta análise: metanol, DME e líquidos Fischer-Tropsch:

• Metanol: o metanol é produzido pela hidrogenação do CO com catalisadores, tais como, Cu/Zn/Al. As reações de síntese são exotérmicas e produzem uma redução líquida do volume molar. Portanto, o equilíbrio é favorecido pela alta pressão e baixa temperatura. Durante a produção, o calor liberado deve ser recuperado para manter o tempo de vida útil do catalisador, manter a ótima velocidade da reação e também para a geração de vapor. Os reatores convencionais utilizam leito fixo e operam na fase gasosa, sendo limitados em aproximadamente 16% de CO no gás de alimentação, com a finalidade de limitar a conversão por passagem, e evitar o sobreaquecimento.

• DME: no caso da síntese do DME é necessário que uma pequena quantidade de CO2

permaneça na composição do syngas para promover a atividade dos catalisadores na fase líquida. O produto gasoso que deixa o reator é enviado para uma unidade de separação, que é composta por tanques flash e destilação criogênica. No final as frações separadas são: DME, metanol, CO2 e uma mistura de CO e H2 não reagidos.

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Parte do metanol é usado na unidade de separação de enxofre e CO2 e o restante é

enviado ao reator catalítico, sendo que 80% desse fluxo é convertido em DME. O syngas não reagido é enviado a seção de geração de energia.

• Líquidos Fischer-Tropsch: o syngas é alimentado no reator de síntese na presença de um catalisador metálico de Fe. O CO e o H2 reagem e se combinam em uma reação

exotérmica, produzindo hidrocarbonetos lineares de cadeia longa. O reator deve operar em baixas temperaturas (aproximadamente 250 °C) e pressões da ordem de 22 bar. A condição de baixa temperatura é mantida através da recuperação de calor para a geração de vapor. Os produtos devem ser refinados em uma área posterior de separação de melhoramento, onde é possível obter frações de diesel (62%) e gasolina (38%).

A Área 700 da Figura 3.3 mostra a planta de geração de energia utilizando o ciclo combinado Brayton/Rankine, na qual o gás de síntese não convertido é queimado em uma turbina a gás, e a energia disponível nos gases quentes de exaustão da turbina a gás é utilizada em uma caldeira de recuperação para a geração de vapor. Deve-se observar que uma parcela considerável da energia gerada nessa etapa é consumida na ASU (Área 200).