2 ESTADO DA ARTE
2.1 O Processo de Gaseificação
O processo de gaseificação da biomassa consiste na utilização de uma quantidade de energia e de um agente gaseificador para formar um gás que possa ser usado como combustível ou como insumo no setor industrial. As partículas de biomassa são inseridas em um reator que se encontra a uma temperatura elevada (em geral acima de 973 K), sendo rapidamente aquecidas. Assim que uma partícula começa a se aquecer, a umidade em seu interior começa a vaporizar, deixando a partícula sob a forma de vapor. A medida que a temperatura da partícula de biomassa continua a aumentar, tem início o fenômeno de degradação térmica da partícula, também chamada de pirólise primária. Durante a pirólise ocorre a liberação de materiais voláteis em uma camada de gás envolvendo a partícula (SANTOS, 2005). Em seguida, os gases liberados pela partícula e o resíduo sólido do processo de pirólise reagem com o agente gaseificador inserido no reator. Estas reações podem ser de oxidação e de reforma, de modo que as reações de oxidação só irão ocorrer se o agente gaseificador inserido no reator contiver oxigênio.
Em síntese, o processo de gaseificação é normalmente dividido em quatro etapas: secagem, pirólise, combustão e gaseificação, as quais podem ocorrer simultaneamente no interior do reator, mas em locais diferentes, dependendo do tipo de reator utilizado. As etapas do processo de gaseificação podem ser descritas como:
(a)
Secagem: é a retirada de água da biomassa. Esta etapa pode afetar significativamente a eficiência da gaseificação, pois a energia consumida na secagem não é recuperada (SOUZA-SANTOS, 2010).(b)
Pirólise: é um processo de decomposição termoquímica da biomassa em um conjunto de produtos sólidos, líquidos e gasosos. Ela representa uma possível rota de conversão termoquímica, resultando na produção de diversos componentes químicos (DI BLASI, 2008). Durante o processo de gaseificação,8
a matéria-prima utilizada sofre o processo de pirólise primária logo após o processo de secagem. Esta etapa começa a ocorrer após a partícula atingir uma temperatura específica para a qual as ligações moleculares das longas cadeias de hidrocarbonetos começam a ser quebradas em moléculas menores de gases permanentes e condensáveis. Este comportamento se torna progressivamente
mais rápido à medida que a temperatura da partícula aumenta, até que todas as grandes moléculas de hidrocarbonetos se decomponham (BAIN e BROER, 2011). Os produtos da pirólise são denominados char, voláteis
e gases permanentes, sendo que os materiais classificados como voláteis são gases que se encontram na fase líquida nas condições de temperatura de 25 oC
e 1 atm. O char, também chamado de carvão vegetal ou de carbonizado, é o resíduo sólido do processo da pirólise e sua composição possui aproximadamente 85% de teor de carbono (BASU, 2010). Aqui o termo char é adotado para simplificar a notação. Para temperaturas inferiores a 600 oC, os
voláteis são majoritariamente formados por bio-óleo.
(c)
Reações de gaseificação ou gaseificação: ocorrem após a pirólise e consistem em reações heterogêneas entre o char e os gases presentes no interior do reator e reações homogêneas de reforma entre os gases formados na pirólise e nas reações heterogêneas.(d)
Combustão: consiste em reações exotérmicas rápidas homogêneas e heterogêneas que liberam uma considerável quantidade de energia térmica (TURNS, 2000). Esta etapa é de extrema importância para o processo de gaseificação auto térmico, pois é a responsável por fornecer a quantidade de energia necessária para que as demais etapas ocorram.As reações homogêneas ocorrem entre os gases liberados durante a pirólise primária e o gás inserido como agente gaseificador, desde que os gases permaneçam a temperaturas elevadas (BAIN e BROER, 2011). Já as reações heterogêneas ocorrem entre o char e os gases liberados durante a pirólise e com o agente gaseificador utilizado.
O gás produzido pelo processo de gaseificação é composto por diversos componentes, como CO, CH4, CO2, H2 e N2, além de possuir a presença de materiais
particulados, de gases condensáveis e de vapor d’água. Normalmente esses gases são denominados como gás de síntese, embora este termo se refira a uma mistura de gases predominantemente formada por H2 e CO produzida através da gaseificação de uma
matéria-prima rica em carbono na presença de oxigênio e vapor, seguido pela retirada de CO2 dos gases (DAYTON et al., 2011).
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O gás de síntese possui diversas aplicações, dentre as quais se destacam a produção de amônia, hidrogênio e combustíveis líquidos, queima direta
para geração de energia elétrica e matéria-prima para a indústria química (BOERRIGTER e RAUCH, 2005). Diferentes aplicações de gás de síntese requerem diferentes concentrações dos componentes do gás. Os principais parâmetros utilizados para se avaliar a qualidade do gás produzido são através da fração molar de H2 e de
CO (H2 + CO) e através da razão molar H2/CO. Normalmente, elevadas razões de
H2/CO são desejadas para a produção de amônia e de hidrogênio, enquanto que para
a síntese de gasolina esta razão deve estar em um intervalo entre 0,5 e 1,0, e para a síntese de metanol em torno de 2,0 (BASU, 2010). Elevadas concentrações de H2 + CO
são desejadas para a utilização do gás na indústria química e para a produção de combustíveis líquidos (VAN DER DRIFT e BOERRIGTER, 2006).
Dentre os problemas tipicamente relacionados com a gaseificação de biomassa destacam-se a produção de alcatrão e a presença de metais alcalinos e alcalinos terrosos. O alcatrão é formado por hidrocarbonetos pesados com elevada viscosidade, podendo causar problemas de entupimento de tubos e de filtros. Já os metais alcalinos
e alcalinos terrosos presentes nas cinzas da biomassa se vaporizam e formam compostos ácidos que corroem os equipamentos de coleta de gases (DAYTON et al., 2011; FATEHI et al., 2017).
O processo de gaseificação pode ser realizado em diferentes tipos de reatores, normalmente classificados em relação ao tipo de leito como: reatores de leito fixo ou móvel, reatores de leito fluidizado e reatores de leito de arraste. Esses três tipos de reatores ainda podem ser subdivididos dependendo do funcionamento de cada um deles. A escolha do tipo de reator depende fundamentalmente da escala da planta que se deseja possuir (SOUZA-SANTOS, 2010). A gaseificação em reatores de leito fluidizado tem sido a preferencial para plantas de gaseificação de médio e grande portes, devido à possibilidade de gaseificadores de maior escala que os de leito fixo (GÓMEZ-BAREA e LECKNER, 2010).
Os reatores de leito fluidizado operam de maneira que as partículas de combustível são fluidizadas utilizando um gás que também atua como agente gaseificador. Uma corrente de gás é inserida na parte inferior do reator de maneira
que o leito de partículas passa a possuir várias características típicas de um fluido (GRACE et al., 2006). Este tipo de reator pode ser subdividido em dois subgrupos: reatores de leito fluidizado borbulhante (LFB) e reatores de leito
fluidizado circulante (LFC). A diferença básica entre estes dois tipos de reatores reside no fato dos reatores LFC operarem com velocidades mais elevadas e possuírem recirculação das partículas, o que eleva o tempo de residência das
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partículas no leito e, consequentemente, melhora a eficiência da conversão de carbono (GÓMEZ-BAREA e LECKNER, 2010).
Nos reatores LFB o agente gaseificador é introduzido pela região inferior do
reator, com velocidade inferior a 2,0 m/s (GÓMEZ-BAREA e LECKNER, 2010). A biomassa é alimentada a partir de uma entrada lateral, localizada acima de uma placa
distribuidora, usada para distribuir o agente fluidizante de maneira uniforme no reator. Os gases deixam o reator pela região superior, enquanto que as cinzas são removidas pela parte inferior, como pode ser visto na Fig. 2.1.
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A explosão das bolhas próximas à região do freeboard provoca o lançamento de partículas sólidas para a região do freeboard. Normalmente a região do freeboard possui uma área de seção transversal maior do que na região do leito, com o intuito de ajudar no retorno das partículas para o leito (BAIN e BROER, 2011). No entanto, apenas as partículas maiores, com velocidades terminais inferiores a velocidade superficial do gás ascendente, retornam ao leito. A maioria das partículas sólidas que chegam à região do
freeboard acabam sofrendo o processo de elutriação, o qual consiste no arrasto
dessas partículas para fora do reator, junto com a corrente de gases produzidos (SOUZA-SANTOS, 2010).
A temperatura de operação dos reatores LFB é limitada pela temperatura de fusão das cinzas do combustível utilizado. Uma vez que as cinzas começam a se fundir e a formar partículas maiores, é possível ocorrer até mesmo uma defluidização do leito. Dessa forma, os gaseificadores LFB operam, normalmente, com temperaturas inferiores a 1123 K (SIEDLECKI, 2011).
Os reatores LFC são compostos tipicamente por um riser, onde ocorre a injeção de combustível e de agente oxidante, um separador ciclone, localizado na saída do riser, um downcommer, que é um recipiente que ajuda na regulagem da taxa de recirculação
das partículas, além da placa distribuidora presente também nos reatores LFB (FAN e ZHU, 1998). O sistema de injeção de biomassa e de agente gaseificador é similar
ao dos reatores LFB. Todavia, os reatores LFC operam com velocidades superiores, normalmente entre 3 e 10 m/s, com padrões de fluidização rápida ou de transporte pneumático. Dessa forma, grande parte do material do leito, ou até mesmo todo ele, é arrastado para fora do riser, onde o separador ciclone faz com que os gases deixem o ciclo do gaseificador, enquanto que os sólidos são inseridos no downcommer.
Quando comparados aos gaseificadores de leito fixo, os gaseificadores de leito fluidizado, de maneira geral, possuem a vantagem de poderem operar com cargas mais elevadas. Além disso, os gaseificadores de leito fluidizado possuem uma característica única. Devido à vigorosa taxa de mistura dos reatores LFB e LFC, existe a possibilidade de se utilizar um grande número de combustíveis diferentes, ou uma mistura entre diferentes combustíveis (BASU, 2010). Outra vantagem dos reatores de leito fluidizado é a possibilidade de utilização de catalisadores no leito dos reatores, com o objetivo de reduzir os teores de alcatrão e outros poluentes, como o enxofre, e aumentar a quantidade de H2 e CO nos gases produzidos (GÓMEZ-BAREA e LECKNER, 2010).
É possível notar que os reatores LFC possuem como vantagem o fato de trabalharem com vazões maiores e produzirem um gás, de maneira geral, com uma menor quantidade de alcatrão e de material particulado (BAIN e BROER, 2011). Além disso, as bolhas dos reatores LFB facilitam as reações de combustão homogêneas,
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devido à reduzida difusividade do oxigênio entre as bolhas e a emulsão. Consequentemente, as reações de combustão heterogêneas são prejudicadas nos reatores LFB, o que reduz a eficiência de conversão do gaseificador (BASU, 2010). Como os reatores LFC não possuem bolhas, este problema não existe.
Por outro lado, os reatores LFB possuem a vantagem de trabalharem com uma condição praticamente isotérmica no leito, devido às elevadas taxas de mistura das partículas e de transferência de calor e massa. Esta condição permite um controle maior sobre a temperatura do processo de gaseificação. Além disso, a necessidade de se utilizar um separador ciclone com equipamentos adicionais para realizar o retorno dos sólidos ao reator e as maiores dimensões do equipamento elevam os custos de investimento dos reatores LFC, frente aos reatores LFB (ALAUDDIN et al., 2010).