Parâmetros que influenciam no processo

A vazão de combustível e de agente oxidante introduzidos no reator de gaseificação são os principais parâmetros que influenciam no processo, porém o tipo de reator e suas características construtivas também são fatores que exercem influência no desempenho do processo. Em relação aos parâmetros de operação, os que possuem maior influência no processo de gaseificação da biomassa são: relação de equivalência, quantidade de vapor adicionada, temperatura, pressão, granulometria da biomassa, tempo de residência das partículas, velocidade de fluidização, utilização ou não de catalisadores, conversão de carbono, eficiência a quente e a frio, tipo de sistema de resfriamento (para gaseificadores de leito arrastado). Nos próximos itens alguns desses parâmetros serão avaliados de forma sucinta.

2.2.4.1 Razão de Equivalência (ER)

A ER é um parâmetro bastante estudado experimentalmente na gaseificação. É um parâmetro adimensional variável, que é provavelmente a principal variável independente do processo de gaseificação, já que é regulada somente pela vazão de ar ou O2 fornecida ao

reator de gaseificação. A ER é definida através da Equação 2.2, e caso se utilize somente O2

como agente de gaseificação substitui-se a vazão mássica de ar pela vazão mássica de O2

(Damartzis et al., 2012):

(2.2)

A relação estequiométrica da vazão mássica de ar ou O2 em relação à vazão mássica de

combustível, ou seja, o denominador da Equação 2.2 pode ser calculado de acordo com a análise elementar do combustível por meio do cálculo da estequiometria da reação, através da lei de conservação das massas. Teoricamente, o valor de ER pode variar de 0 até 1, sendo que quando ER=1, o combustível está completamente na zona de combustão, e quando ER<0,20 o combustível está na zona de pirólise. Quando 0,20<ER<0,50 o combustível esta na zona de gaseificação. A temperatura do leito e as reações químicas que promovem a formação dos componentes do syngas variam de acordo a variação dos valores de ER (Chen et al., 2013; Damartzis et al., 2012; Campoy et al., 2009; Ekbom et al., 2008).

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Existe uma relação intrínseca entre a ER, a temperatura do reator (Figura 2.12a), a formação e a quantidade dos produtos da gaseificação (Figura 2.12b) e o seu respectivo poder calorífico. Portanto, se o valor da ER for aumentado o PCI do syngas produzido será menor, entretanto, por outro lado, o aumento da ER possui um efeito benéfico porque contribui para o craqueamento dos alcatrões, este fenômeno é mais significativo para altas temperaturas (Arena, 2012; Damartzis et al., 2012; Arnavat, 2011).

(a) (b)

Figura 2.12 – Efeitos da variação da ER nos parâmetros da gaseificação. (a) Influência da ER na temperatura de gaseificação (de Lasa et al., 2011). (b) Composição do syngas em função

da variação da ER (Arena, 2012).

2.2.4.2 Relação Vapor–Biomassa (SB)

Além de poder atuar como um meio de fluidização, o vapor também é um reagente utilizado em muitas reações da gaseificação (reações de reforma, reação de deslocamento água-gás, etc.), portanto a sua presença durante a gaseificação possui uma grande influência na composição e no poder calorífico do syngas, além de controlar a temperatura no reator. A quantidade de vapor adicionada ao processo é muitas vezes relacionada a quantidade de biomassa da alimentação, em uma relação denominada Relação de Vapor-Biomassa (SB), dado pela Equação 2.3. Com um aumento de SB espera-se produzir uma maior quantidade de H2, como resultado da reação de deslocamento de água-gás (water gas–shift). Além disso, o

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excesso de vapor é benéfico porque conduz ao craqueamento de hidrocarbonetos de elevado peso molecular e reações de reforma (van der Drift et al., 2001).

(2.3)

2.2.4.3 Temperatura de operação

O perfil de temperatura ao longo das diferentes seções do reator é um importante parâmetro de funcionamento para todos os tipos de gaseificadores. A temperatura do reator é uma variável que depende de outras, tais como: ER, tempo de residência, composição, temperatura de entrada do agente de gaseificação, isolamento térmico do reator, etc. (Arena, 2012).

O aumento da temperatura de gaseificação, geralmente, favorece a formação de H2 e

CO, todavia, em alguns casos o teor de CO pode diminuir. Com o aumento da temperatura ocorre o craqueamento dos alcatrões, e redução de sua composição. Além disso, a formação de CO2 é desfavorecida em menor extensão, por isso, seu conteúdo tende a diminuir com o

aumento da temperatura. Temperaturas mais elevadas favorecem a conversão de carbono e o craqueamento dos alcatrões, porém nos gaseificadores de leito fluidizado borbulhante e circulante a temperatura máxima de operação é limitada pelo ponto de fusão e sinterização das cinzas (Chen et al., 2013; Zheng, 2013; Breault, 2010; Faaij et al., 1997).

2.2.4.4 Conversão de carbono (CC)

Geralmente uma quantidade significativa de carbono normalmente é encontrada nas cinzas de fundo e na cinza volátil dos reatores de gaseificação, portanto conclui-se que nem todo o carbono presente na biomassa é convertido em produtos gasosos (CO, CH4 e CO2). A

Equação 2.4 descreve o método de cálculo da conversão de carbono dos gaseificadores (Siedlecki, 2011; Basu, 2010).

Van der Drift e van der Meijden (2002) determinaram a conversão de carbono e da eficiência a frio de um gaseificador de leito fluidizado circulante, e fizeram modificações no equipamento para aumentar a eficiência de conversão do carbono do gaseificador. O aumento da temperatura (Figura 2.13a) de operação e da ER (Figura 2.13b) foram relacionados como sendo os dois parâmetros mais importantes relacionados à conversão de carbono. A taxa

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média de conversão de carbono do gaseificador de leito fluidizado circulante de 0,5 MWth foi

de 90%. Conforme relatado pelos autores, outra forma de se incrementar a conversão de carbono é a injeção de vapor, porém isto conduz a uma redução da eficiência à frio do gaseificador.

(2.4)

(a) (b)

Figura 2.13 – (a) Conversão de carbono em gaseificadores de leito fluidizado circulante. (a) Efeito da variação da temperatura. (b) Em função de ER (van der Drift e van der Meijden,

2002).

2.2.4.5 Eficiência à frio e eficiência à quente

A eficiência energética de um processo de gaseificação, geralmente conhecida como eficiência à frio, é a relação entre o conteúdo de energia química no syngas dividido pela energia química na biomassa utilizada como matéria-prima. A Equação 2.5 expressa a forma de cálculo (Makwana et al., 2015):

(2.5)

A eficiência à frio não leva em consideração o calor sensível do gás, mas apenas a sua energia química, ou seja, o poder calorífico do syngas e da biomassa. Já a eficiência a quente é definida como a relação entre a soma da energia química e do calor sensível do syngas dividido pela energia química da biomassa usada como matéria-prima somada ao calor

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introduzido no reator, caso ele exista (Equação 2.6). Este indicador é importante porque em alguns casos o gás é queimado em uma fornalha ou caldeira sem ser previamente resfriado, por isso tem-se um maior aproveitamento da sua energia térmica. A eficiência a quente assume que o poder calorífico do char não convertido é perdido (Makwana et al., 2015):

(2.6)