Reatores de leito fluidizado

A gaseificação em leito fluidizado (LF) foi originalmente desenvolvida para resolver os problemas operacionais da gaseificação de leito fixo, principalmente a restrição à utilização de matérias-primas com elevado teor de cinzas, e aumentar a eficiência global do sistema (DE FEO et al., 2003). Porém, de acordo com Lora, Gómez e Cortez (2009), apesar do desenvolvimento de tecnologias promissoras, ainda se busca um equipamento simples, eficiente e econômico para comercialização mundial.

Fluidização é o termo aplicado ao processo no qual um leito fixo de sólidos finos, normalmente argila ou areia, é transformado em um estado quase-líquido (“liquid-like”) pelo contato com o gás ascendente (agente gaseificante). O efeito do fluxo de ar forçado para cima produz um leito de biomassa em suspensão de funcionamento isotérmico, de 700-900℃, portanto, mais baixo que as temperaturas alcançadas nos gaseificadores de leito fixo (MCKENDRY, 2002c; DE FEO et al., 2003).

A Figura 16 ilustra o processo de funcionamento de um gaseificador de leito fluidizado. Primeiramente, o agente gaseificador é forçado a entrar no reator pelos bicos injetores, o que causa o aumento da resistência do leito de partículas ao movimento vertical do ar; observa-se uma elevação da pressão na grelha. Com o aumento da velocidade de entrada do agente gaseificador (Vag) e consequente elevação da pressão na grelha, as

partículas tendem a se reorganizar, aumentando o leito e diminuindo a resistência à passagem do ar. Mantendo-se o aumento de velocidade, a força de arrasto se iguala ao peso das partículas, num processo chamado de fluidização incipiente. Neste momento, as partículas começam a se descolar umas das outras e ficam suspensas: o sistema fluido-partícula passa a se comportar como um líquido. A velocidade na fluidização incipiente é chamada de velocidade mínima de fluidização (Vmf) (CORRÊA NETO, 2001; SANTOS, 2006;

HENRIQUES, 2009).

Ao se aumentar ainda mais a velocidade de entrada do agente de fluidização, o leito passa a não mais se expandir uniformemente. A partir daí, duas fases podem ser observadas na seção transversal do leito: bolhas (isentas de partículas sólidas) e emulsão (mistura de gás e partículas sólidas). Uma vez que as bolhas são responsáveis por grande escoamento de material particulado, o leito é levado a uma situação em que as partículas são arrastadas pelo gás para a região de borda livre (freeboard).

A elevação da vazão de entrada apenas acarreta o aumento do número e tamanho de bolhas, sem elevar a pressão na base da grelha. Quando a velocidade é alta o bastante para provocar o arraste de todas as partículas do leito, o regime torna-se pneumático. Nesta situação, a velocidade do gás atinge a velocidade terminal das partículas (Vt) e começa a

haver um arraste do material mais fino, diminuindo a altura do leito e a pressão na base da grelha.

Figura 16 – Evolução da pressão na base da grelha pelo aumento da vazão do agente fluidizante.

Fonte: adaptado de BRASIL (2002).

A maior aproximação entre o combustível e o elemento fluidizante aumenta as taxas de reação e facilita os processos de transferência de massa e energia. Ao mesmo tempo, o contato entre o material volátil e as partículas inertes favorece a uniformidade da temperatura em todo o leito e a eficiência da transferência de calor. Nestas condições, as zonas de pirólise, combustão e redução são contínuas.

Os dois tipos principais de gaseificadores de leito fluidizado em uso são o circulante e o borbulhante. Neste último, a velocidade do agente de fluidização varia entre 1-3 m/s; assim,

a expansão do leito inerte limita-se apenas à zona inferior do gaseificador. Leitos de areia e carvão animal não saem do reator devido à baixa velocidade do gás. Por outro lado, a velocidade ascendente do agente gaseificador do modelo de leito circulante varia entre 5-10 m/s. Por conseguinte, o leito expandido ocupa o reator inteiro e uma fração do material do leito é carregada para fora do reator junto com a corrente de gás. Esta fração é capturada e reciclada no reator utilizando um ciclone, ou outro dispositivo semelhante, que intercepta a corrente de gás (MCKENDRY, 2002c; DE FEO et al., 2003). Gaseificadores de leito fluidizado borbulhante e circulante são mostrados esquematicamente na Figura 17.

Figura 17 – Esquema de gaseificador de leito borbulhante e circulante.

Fonte: adaptado de DE FEO et al. (2003).

O leito é aquecido por combustível auxiliar (geralmente GLP) até que a temperatura se aproxime da temperatura de regime estacionário de projeto, da ordem de 900℃, quando a biomassa passa a alimentar o reator (MCKENDRY, 2002c). Nesta faixa de temperatura, apesar de serem menores os teores emitidos de enxofre, material particulado e óxidos de nitrogênio, o craqueamento do alcatrão não será completo (LORA, GÓMEZ e CORTEZ, 2009). O resultado é um gás com teor de alcatrão moderado (tipicamente ≤ 1-3 g/Nm3). Para produzir um gás completamente isento de alcatrão e voláteis, seriam necessárias temperaturas no leito entre 1100℃ e 1200℃ (CORRÊA NETO, 2001).

Além de alguma quantidade de alcatrão e voláteis, o gás produzido pode também conter carbono não queimado e parte das cinzas contidas originalmente no combustível. Tanto o carbono não queimado quanto as cinzas devem ser removidos por sistema de limpeza. A composição típica do gás combustível gerado em gaseificadores de leito fluidizado é mostrada na Tabela 12.

Tabela 12 – Composição típica do gás combustível gerado em gaseificadores de leito fluidizado

Componente Leito fluidizado _circulante Leito fluidizado _borbulhante

H2 15 31 CO 47 48 CO2 15 0 CH4 23 21 N2 0 0 Poder calorífico [MJ/Nm3] 16,1 17,4

Fonte: adaptado de BRIDGEWATER, TOFT e BRAMMER (2002).

A tecnologia de leito fluidizado apresenta perspectivas promissoras e atualmente é alvo de pesquisas abrangentes. As vantagens e desvantagens dos gaseificadores de leito fluidizado são resumidas na Tabela 13.

Tabela 13 – Vantagens e desvantagens dos gaseificadores de leito fluidizado.

Vantagens Desvantagens

Alta flexibilidade na utilização de biomassas com diferentes composições e tamanhos;

Facilidade no controle da temperatura de reação pela variação na alimentação do agente gaseificador e do combustível;

Gás produto de poder calorífico médio, com elevado conteúdo de metano.

A necessidade mínima de pré-processamento dos insumos antes da alimentação;

O mais indicado para sistemas com alta potência volumétrica, com capacidade igual ou superior a 1 MW.

O alto conteúdo de cinzas e material particulado no gás;

Teores de alcatrão moderados, uma vez que a temperatura de operação é relativamente mais baixa;

O gás gerado tende a conter carbono não queimado, que é arrastado com as cinzas.

A maior temperatura dos gases de saída dificulta o processo de limpeza;

Respostas lentas às mudanças de consumo do gás produzido.