5.1 Motor Stirling Viebach ST 05 G
5.2.1 Motor Stirling SOLO 161 operando com biomassa
Utilizou-se um dos dois Stirling SOLO 161 do laboratório de tecnologias avançadas para realizar os ensaios deste acoplado ao gaseificador da Termoquip.
A Figura 5-13 apresenta um esquema com as modificações realizadas para o acoplamento do gaseificador de biomassa ao motor Stirling SOLO.
Figura 5-13 Motor Stirling SOLO acoplado ao gaseificador de biomassa.
5.2.1.1 Características do gaseificador de leito cruzado da Termoquip.
Para a realização dos testes foi projetado e construído um conjunto ou modulo de geração de energia conforme mostra a (Figura 5-14). O gaseificador de biomassa a ser descrito a seguir, possui um reator catalítico com elementos de níquel. Este reator é capaz de craquear as moléculas de alcatrão aumentando a porcentagem de hidrogênio e CO no gás produzido. Este sistema é constituído de um gaseificador; um sistema de limpeza, que
compreende um reator catalítico, um ciclone e um trocador de calor; um cavalete para realizar a mistura do ar/combustível; um moto-gerador e um painel de sincronismo.
Figura 5-14. Gaseificador de biomassa de leito Cruzado fabricado pela Termoquip. O gaseificador utilizado é do tipo leito fixo em fluxo cruzado com capacidade 46,52 kWt. Esse gaseificador não foi projetado, propriamente, para o projeto tendo sido adaptado para essa aplicação.
É capaz de gerar um gás de poder calorífico da ordem de 3 MJ/Nm³, A sua partida é realizada utilizando carvão vegetal, que é incinerado na base do reator sob a grelha. O gaseificador é de concepção simples constando de um vaso com paredes de aço revestido por material refratário, dimensionado de forma a permitir as condições de gaseificação. Pode operar com diferentes tipos de biomassa, porém a granulometria não pode ser muito pequena a fim de permitir a passagem do ar e dos gases.
O reator catalítico é formado por um vaso preenchido por pequenas peças de níquel (Ni), que é o catalizador propriamente dito, permitindo a maximização da formação do hidrogênio (H2) e do monóxido de carbono (CO). O processo se dá na presença de vapor de água, que no caso está presente no gás gerado. O objetivo do reator é a transformação do alcatrão em CO e H2 na presença de vapor.
Um ciclone é utilizado com a finalidade de retirar as partículas que podem ser arrastadas pelo gás através da tubulação. As partículas são coletadas em um recipiente que deve ser esvaziado com regularidade.
Um trocador de calor (Figura 5-15) é utilizado para condensar o vapor de água e alcatrões residuais presentes no gás. É utilizada água, à temperatura ambiente, como fluido de arrefecimento.
Figura 5-15. Trocador de calor.
A Figura 5-16 apresenta a distribuição de temperatura ao longo do gaseificador, sendo possível verificar, onde há um valor mais alto de temperatura, a região de oxidação e uma redução de temperatura acentuada logo acima desse setor, devido ao isolamento provocado pela madeira, a qual está sobre efeito de secagem e pirólise.
A eficiência a frio do gaseificador foi calculada durante ensaios prévios e se obteve o valor de 27%. Isto sem considerar a limpeza catalítica, onde parte do gás é queimado para atender a temperatura requerida pelo processo de catalise.
5.2.1.2
Problemas do sistema gaseificador/motor Stirling SOLO 161
Infelizmente, muitos problemas ainda não foram resolvidos no que diz respeito ao acoplamento do gaseificador com o motor Stirling. Em uma modificação recente, um queimador para o gás pobre gerado no gaseificador (Figura 5-17) foi inserido logo antes do trocador de calor quente do SOLO com o intuito de aumentar a temperatura nesta região.Figura 5-17. Queimador para o gás pobre do gaseificador.
Mas, devido ao pequeno diâmetro deste queimador, e a pequena diferença de pressão necessária para se operar o gaseificador, este queimador acabou gerando uma perda de carga que impede um fluxo adequado de gases quentes provenientes do gaseificador. A falta de fluxo adequado por sua vez impede o gaseificador de operar corretamente, acarretando em baixa produção de gás pobre, baixa temperatura na câmara de combustão e por conseqüência baixa eficiência do gaseificador.
Outra falha identificada é a grande distancia que separa o trocador de calor do SOLO a saída dos gases quentes do gaseificador, acarretando em perdas térmicas importantes.
Além disso, o trocador de calor quente do SOLO 161 é pequeno para se operar com gaseificadores. Segundo Eric Podesser, especialista neste tipo de motor, o trocador de calor do SOLO deveria ser substituído por outro com maior área superficial.
Para a correta operação do gaseificador é necessário que a biomassa passe por um pré tratamento a fim de adequá-la ao uso com o tipo de gaseificador de fluxo cruzado. Logo, a lenha deve ter sua umidade reduzida estocando-a em uma estufa. Quando seca, a lenha deve ser cortada em pequenos pedaços em uma serra elétrica. Todo este processo acaba por dificultar a operação do gaseificador e diminuir a eficiência global do sistema gaseificador/motor Stirling.
Como sugestão para trabalhos futuros, o motor SOLO poderia ser deslocado para perto do gaseificador, inserindo seu trocador de calor quente dentro da câmara de combustão do gaseificador. Foi constatado em ensaios prévios no gaseificador que a temperatura na câmara de combustão é de 950°C, suficiente para operar o motor SOLO.
CAPITULO 6
6 PROJETO DO MOTOR STIRLING AMAZON DE 8 kW
PARA REGIÕES ISOLADAS
Atualmente, a biomassa vem sendo muito utilizada na geração de eletricidade, principalmente em sistemas de co-geração e no suprimento de eletricidade de comunidades isoladas da rede elétrica. Uma das principais vantagens da biomassa é o seu aproveitamento direto por meio da combustão em fornos ou fornalhas de caldeiras, sendo esta a tecnologia dominante nas comunidades das regiões isoladas.
Buscando estimular as pesquisas de motores Stirling operando com biomassa, este projeto utilizará as necessidades elétricas destas comunidades como ponto de partida para o desenvolvimento de um motor Stirling que poderá ser acoplado à um gaseificador de biomassa ou em uma fornalha já existente.
Não existem tecnologias comerciais que permitam gerar eletricidade a partir da biomassa em escala de vários kW, como é requerido pelas comunidades locais. A tecnologia gaseificação/MCI tem se mostrado cara, complicada e pouco eficiente. O motor Stirling pode se utilizar de uma tecnologia apropriada, a combustão direta da biomassa (Paula et al, 2007).
Ciclos a vapor passam a ser interessantes a partir de 400 – 1000 kWe, já que são muito caros e pouco eficientes em faixas de capacidades menores.