Tipos de gasificadores

Existem diversas instalações usando processos de gasificação em todo o mundo, em vários estágios de desenvolvimento, todos estes processos se podem classificar em quatro categorias distintas normalmente designadas como: gasificadores de leito fixo, de leito em suspensão, de leito fluidizado e de leito circulante. As características de cada um destes gasificadores, são indicadas na Tabela 1.2.

Tabela 1.2 – Tipos de gasificadores e características. (Probstein et al., 1982, DTI, 1998 e Minchener, 2005)

Leito

fluidizado Leito circulante Leito fixo

Leito em suspensão Tipo de Combustível Sólido Sólido Sólido _{e líquido} Sólido Temperaturas no interior (ºC) 980 – 1040 900 – 1500 650 – 1370 1200 – 1600 Temperatura do gás à saída (ºC) 650 – 1040 900 – 1500 370 – 540 925 – 1150 Granulometria (combustível sólido) 0,5 – 5 mm 100 – 600 μm 3 – 50 mm 75 – 500 μm Tempo de residência do combustível 5 – 50 s 1 – 3 s 30min – 1 h 1 – 3 s Velocidade do Gás 0,5 – 5 m·s-1 _{5 – 15 m·s}-1 _{0,5 – 4 m·h}-1 _{3 – 8 m·s}-1

A classificação dos tipos de gasificadores tem a ver com o modo como o movimento dos sólidos dentro do gasificador é efectuado. Nos gasificadores de leito fixo os gases fluem muito lentamente através do leito constituído por partículas de combustível. Nos gasificadores de leito em suspensão as partículas de combustível pulverizadas fluem em contra-corrente com os gases a elevada velocidade. Nos gasificadores de leito fluidizado as velocidades de gás utilizadas permitem que as partículas de combustível e do material do leito estejam suspensas no fluxo do gás, havendo ainda uma mistura entre as partículas do combustível alimentado com as que estão já em processo de gasificação. Nos gasificadores de leito circulante existe um transporte do combustível e do material do leito provocado pelas elevadas velocidades atingidas, havendo uma realimentação ao sistema da componente sólida. Existem processos de gasificação disponíveis comercialmente ou que já atingiram a escala piloto que apresentam reactores com estas tecnologias, geralmente usando carvão como combustível (Minchener, 2005).

1.4.2.1 Gasificadores de leito fluidizado

Apesar da tecnologia do leito fluidizado ter sido aplicada industrialmente à gasificação do carvão à bastante tempo, como é o caso do processo Winkler desenvolvido na Alemanha entre 1921 e 1926, estes gasificadores são considerados como os de tecnologia mais recente no âmbito da gasificação (Probstein et al., 1982).

Esta tecnologia apresenta várias e importantes vantagens, as quais explicam o rápido e crescente interesse geral nestes gasificadores, nomeadamente:

• flexibilidade no que diz respeito ao tipo de combustível, permitindo a utilização duma gama muito mais variada de matéria-prima a gasificar, aspecto especialmente interessante no caso de gasificação de resíduos,

• facilidade de controle da temperatura de operação, • menor emissão de produtos poluentes,

• elevada capacidade volumétrica,

• reduzida formação de escória de cinzas, quando a temperatura de operação é relativamente baixa (800–900ºC) e inferior à temperatura de fusão da maior parte dos tipos de cinzas existentes nos combustíveis sólidos.

Num gasificador de leito fluidizado não existem zonas de reacção distintas: a secagem, pirólise e gasificação ocorrem simultaneamente em todo o leito do reactor, o qual estando bem fluidizado conduz a condições praticamente isotérmicas. Na Figura 1.14, apresenta-se um esquema simplificado dum gasificador de leito fluidizado.

Neste leito utiliza-se normalmente um material inerte resistente a altas temperaturas, a areia de sílica, beneficiando da sua capacidade de retenção de calor. O material inerte é usado para manter boas condições de fluidização (evitando-se a formação de canais preferenciais de escoamento dos gases) e, ao mesmo tempo, devido às suas características, funcionar como capacidade calorífica adicional do leito. Em operação o leito conterá uma mistura do material inerte e partículas do combustível utilizado em diversos graus de conversão.

Ciclone Partículas Placa Distribuidora Combustível Leito Fluidizado Gás combustível Agente de fluidização/gasificação Ciclone Partículas Placa Distribuidora Combustível Leito Fluidizado Gás combustível Agente de fluidização/gasificação

O agente de gasificação é introduzido através de um distribuidor, sendo mantida uma velocidade suficiente para manter o material do leito num estado de suspensão, adquirindo este características idênticas a um fluido. O combustível que se pode apresentar na forma de partículas de granulometria variável, tal como se apresentou na Tabela 1.2, pode ser introduzido no gasificador por vários meios, nomeadamente através de alimentadores de parafuso sem-fim ou sistemas de transporte pneumático. Após a alimentação o combustível mistura-se rapidamente com o material do leito e as fases de secagem, desvolatilização ou pirólise e gasificação dão-se durante o seu percurso através do leito e da área livre superior.

Uma das vantagens da tecnologia do leito fluidizado, tem a ver com a possibilidade de se evitar a formação de escória, uma vez que a temperatura de operação é relativamente baixa (geralmente 800 – 900ºC) e portanto inferior à temperatura de fusão da maior parte dos tipos de cinzas existentes nos combustíveis sólidos, contudo não evita a necessidade de renovação regular do material do leito, devido à alteração gradual da sua composição e características por acumulação do carbonizado formado a partir do combustível, constituído essencialmente por carbono e matéria mineral.

Uma vez que estes gasificadores evitam a formação de escória de cinzas é possível alargar o seu campo de aplicação, pois permitem a utilização de determinados tipos de combustíveis que de outra forma não podem ser gasificados nos sistemas tradicionais, nomeadamente aqueles que apresentem temperaturas de fusão de cinzas mais baixas.

Minchener, 2005 refere a existência de seis tipos de processos desenvolvidos usando gasificadores de leito fluidizado designados pelo autor como BHEL, HT Winkler, IDGCC, KRW, Transport reactor e Mitsui Babcock ABGC, embora alguns destes ainda necessitem de ser demonstrados a uma escala industrial. A tecnologia de gasificação em leito fluidizado já foi demonstrada pela RWE Rheinbraun/HT Winkler em Berrenrath na Alemanha, tendo sido especialmente desenvolvida para a produção de metanol e de gás de síntese (Minchener, 2005). 1.4.2.2 Gasificadores de leito circulante

Com um principio de funcionamento semelhante aos anteriores mas usando velocidades de passagem dos gases mais elevadas temos os chamados gasificadores de leito . O gás usado como agente de gasificação é introduzido no reactor a uma velocidade suficientemente elevada para garantir que o leito fluidizado opera de forma circulante, através do arrastamento de sólidos, os quais são em seguida recirculados para garantir uma quantidade de sólidos constante dentro do reactor. Estes reactores permitem obter uma melhor mistura entre as fases sólida e gasosa, facilitando o contacto essencial para que as reacções heterogéneas de gasificação ocorram. O tempo de residência no interior do reactor é comparativamente mais curto, pelo que para aumentar a conversão do processo os sólidos que saem do reactor são separados usando um ciclone e reenviados ao leito fluidizado onde prossegue o processo de gasificação. O ciclone pode também

ser usado como câmara de combustão adicional que permite libertar parte da energia necessária às reacções endotérmicas da gasificação. Neste caso, como no interior do ciclone se verifica a separação entre as partículas de combustível e o gás de gasificação, a introdução tangencial de ar permite que o oxigénio existe em concentrações mais elevadas junto das paredes do ciclone, facilitando a sua reacção com as partículas sólidas de carbonizado, em vez de reagir com o gás de gasificação que estará mais afastado das paredes. A energia libertada por este processo é transportada pelas partículas sólidas recirculadas que fornecem assim a energia necessária às reacções de gasificação.

A tecnologia de leito fluidizado circulante aplicada à gasificação de carvão com ar encontra-se em operação na Europa e Estados Unidos através de companhias como Lurgi, TPS/Studsvik, Gotaverken, Ahlstrom e Foster Wheeler, com capacidades instaladas entre 10 e 50 MW térmicos (Beenackers, 1992, Tsuia, 2003 e Minchener, 2005).

A África do Sul produz industrialmente combustíveis líquidos a partir de carvão desde 1950, quando a Sasol Limited foi criada com o objectivo de diminuir a dependência deste país da importação de petróleo. O processo Sasol utiliza a gasificação de carvão em leito circulante para produzir gás de síntese que é posteriormente convertido em combustíveis líquidos, a tecnologia utilizada é da Lurgi e permite produzir 150 000 barris por dia, o que equivale a cerca de 40% da gasolina e de outros combustíveis líquidos consumidos neste país (Minchener, 2005).

1.4.2.3 Gasificadores de leito fixo

Segundo Minchener, 2005, estão já demonstrados à escala industrial diversos processos que utilizam gasificadores de leito fixo, desenvolvidos por BGL, BHEL e Lurgi, podendo processar carvão, biomassa e outros resíduos. Estes reactores podem operar com carvões com elevado teor em cinzas, podendo os desenvolvidos por Lurgi aceitar teores de cinzas até 35%, tal como foi demonstrado nas instalações de Sasol e na instalação piloto de BHEL. O termo fixo refere-se às condições nos extremos do leito, as quais não variam em condições estacionárias uma vez que existe alguma deslocação das partículas por vezes também se designa como leito móvel (Probstein

et al., 1982). Existem três variantes nesta categoria de gasificadores que resultam da forma como o

gás é conduzido para fora da unidade e que são: contra-corrente, equicorrente e correntes cruzadas. Cada um destes tipos de unidade apresenta diferentes características de operação e de emissões .

O gasificador de contra-corrente ou fluxo de gás ascendente, é assim designado devido ao gás e ao sólido percorrerem o gasificador em sentidos contrários. O resíduo sólido é alimentado pelo topo do reactor e desce lentamente até ao fundo à medida que é consumido. O agente de gasificação (ar, O2 ou vapor) é introduzido através de uma grelha, pela qual caem as cinzas. Os gases quentes provenientes da zona de combustão (inferior) fornecem energia aos processos endotérmicos que se verificam nas zonas superiores. Os gases saem pelo topo do gasificador carregados de óleos de pirólise e água. Para assegurar uma boa transferência de calor e de massa entre o sólido e os gases é necessário uma boa permeabilidade e evitar quedas de pressão e a

formação de canais preferenciais. Cerca de 20 a 25% do carbono contido no combustível é recuperado como produtos líquidos. Por outro lado, devido às baixas velocidades dos gases no reactor e ao efeito de filtragem do leito, o gás à saída apresenta um baixo conteúdo em partículas. 1.4.2.4 Gasificadores de leito em suspensão

Os gasificadores de leito em suspensão podem processar indiferentemente combustíveis sólidos como carvão ou biomassa. Neste processo as partículas de combustível são alimentadas pulverizadas a granulometrias inferiores a 500 μm e encontram-se suspensas numa corrente gasosa no interior do reactor. Esta corrente gasosa pode conter vapor ou oxigénio. As reacções de gasificação ocorrem num tempo tão curto, que os tempos de residência nestes reactores é medido em segundos, pelo que não existem zonas diferenciadas de reacção ao longo do gasificador.

Estes reactores operam a temperaturas elevadas, 1200–1600ºC e pressões entre 2 e 8 MPa, a maior parte dos reactores de maior escala opera a cerca de 2,5 MPa (Minchener, 2005). Devido às altas temperaturas que se atingem as cinzas fundem, formando-se uma escória que é arrefecida por um banho de água, dando origem a grânulos que são retirados pelo fundo do reactor. No entanto também alguma parte da cinza é arrastada pelo gás que deixa o gasificador pela parte superior. As partículas de combustível são tão rapidamente gasificadas, que não se verificam problemas de aglomeração que podem existir noutros sistemas, mesmo quando se alimenta carvão que tenha tendência para aglomerar. Este processo apresenta uma operação complexa, requer um combustível pulverizado, requer o uso de materiais de construção dispendiosos, devido à utilização de temperaturas elevadas e ainda necessita de equipamentos de permuta de calor sofisticados com grandes superfícies de permuta de calor.

Minchener, 2005 refere que os processos existentes que utilizam este tipo de gasificador foram desenvolvidos por BBP, Hitachi, MHI, PRENFLO, SCGP, E-Gas e Texaco.