Tipos de reatores de gaseificação

Os reatores de gaseificação têm sido pesquisados há mais de um século, o que resultou em uma grande disponibilidade de diversos modelos de reatores, desde pequenas escalas até relativamente grandes escalas. Para a gaseificação de biomassa diferentes tipos de reatores estão disponíveis. O modelo mais adequado depende da vazão mássica de biomassa requerida, bem como, de suas características físico-químicas. Segundo Knoef (2005) Os reatores de gaseificação podem ser classificados de diversas maneiras: tipo de agente de gaseificação (ar,

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O2, vapor), fornecimento de calor ao reator (autotérmico e alotérmico), tipo de pressão

(atmosférico ou pressurizado), contato entre o oxidante e o combustível (leito fixo, leito fluidizado e leito arrastado).

2.2.3.1 Gaseificadores de Leito Fluidizado

Nos gaseificadores de leito fluidizado o agente oxidante e o combustível são misturados de forma totalmente turbulenta, em um leito em alta temperatura, composto por um material sólido inerte, tal como quartzo, sílica ou substâncias catalisadoras ativas (dolomita, olivina, magnesita, etc.), com tamanho de partícula que pode variar de 50–500 µm. Devido à intensa mistura entre o sólido e o gás no leito fluidizado, as diferentes zonas de gaseificação (secagem, pirólise, oxidação e redução) não podem ser separadas e claramente identificadas. Os reatores de leito fluidizado são quase isotérmicos, ou seja, eles possuem uma distribuição uniforme de temperatura ao longo da seção transversal em torno de 700–900 °C. A pressão de operação dos reatores pode variar entre 1–40 bar (Le, 2012; Liu et al., 2010; Lettner et al., 2007).

Os gaseificadores de leito fluidizado são projetados para capacidades de 10 MWth até

500 MWth. O agente de gaseificação é injetado na parte inferior por bicos injetores e ascende

até a parte superior, de tal forma que ao longo da sua trajetória ele vai fluidizando o material combustível no leito. Quando as partículas atingem um ponto em que a queda de pressão é igual a força de atração gravitacional das mesmas, elas ficam suspensas, o que se denomina velocidade mínima de fluidização, este é um parâmetro importante para o projeto dos reatores. Um aumento adicional da velocidade de injeção do agente de gaseificação faz com que as partículas se movimentem mais rapidamente e ocorra o aparecimento de bolhas de ar no leito (Liu, 2013; Salaices, 2010; Tock et al., 2010; Olofsson et al., 2005).

Os gaseificadores de leito fluidizado circulante possuem boas características para a gaseificação de biomassa devido ao elevado tempo de residência do gás e da biomassa dentro do reator. Eles possuem um dispositivo elevador transportador de sólidos (riser) no leito (com altura variando de 6–12 m), um ciclone no topo e um sistema de reciclagem de sólidos. Nesses reatores os sólidos são dispersos ao longo de todo o elevador transportador de sólidos, permitindo um longo tempo de residência do gás e das partículas finas. A granulometria do material inerte do leito varia de 50–500 µm (Beheshti et al., 2015; Siedlecki, 2011; Knoef, 2005). As Figuras 2.9(a) e 2.9(b) mostram um esquema geral dos gaseificadores de leito fluidizado borbulhante e leito fluidizado circulante, respectivamente.

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(a) (b)

Figura 2.9 – Gaseificadores de leito fluidizado. (a) Leito Fluidizado Borbulhante (b) Leito Fluidizado Circulante (Olofsson et al., 2005).

A velocidade de fluidização nos gaseificadores de leito fluidizado circulante é elevada (5,0–10,0 m/s), ocorrendo uma grande migração das partículas sólidas para fora do transportador de sólidos. A velocidade de fluidização aumenta, porém a Relação de Equivalência (ER) deve permanecer invariável (0,2–0,5). No ciclone ocorre a captura e separação das cinzas e a reciclagem contínua do material do leito e do char na base do leito. A taxa de reciclagem dos sólidos e a velocidade de fluidização são suficientes para manter o leito hidrodinamicamente em regime de fluidização rápida. Neste tipo de reator não existe uma interface distinta entre a borda livre (freeboard), que fica situada acima da superfície do leito, e a zona de fluidização do leito (Tunå, 2013; Salaices, 2010; Silaen, 2010; Sun et al., 2011; Alauddin et al., 2010).

O elevado grau de mistura entre o agente de gaseificação e os sólidos facilita a gaseificação, porém por outro lado, essa mistura poderá arrastar algumas partículas sólidas não gaseificadas (elutriação), o que reduz sensivelmente a conversão de sólidos, e diminui a eficiência. Outro importante problema é relacionado a lenta difusão do O2 das bolhas para a

fase de emulsão, que pode criar uma zona de oxidação ao longo de todo a reator, podendo contribuir para o decréscimo do estágio de redução, e diminuindo a eficiência da gaseificação (Tunå, 2013; Liu et al., 2010; Salaices, 2010; Toossen, 2010; Olofsson et al., 2005).

A Tabela 2.9 mostra s principais parâmetros de comparação entre os gaseificadores de leito fluidizado borbulhante e circulante.

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Tabela 2.9 – Parâmetros de comparação entre os gaseificadores de leito fluidizado borbulhante e circulante (Arena, 2012; Siedlecki et al., 2011; Alauddin et al., 2010; E4Tech, 2009).

Parâmetro Unidade Leito fluidizado Borbulhante

Leito fluidizado circulante Temperatura do leito °C 700–950 800–1000 Temperatura de exaustão dos gases °C 500–800 600–900 Pressão de operação bar 1–35 1–25 Conversão de carbono (CC) % 91–96 94–99 Escala de produção MWth 10–100 20–500

Razão de rendimento térmico MW/m² 1,2–1,6 5,0–7,0 Produção de alcatrão g/Nm³ 9–15 5–11 Particulados no syngas g/Nm³ 2–10 10–30 PCI do syngas MJ/Nm³ 4,5–8,2 5,0–12,0 Umidade da biomassa % 10–55 5–60 Teor de cinzas da biomassa % <25,0 <20,0 Eficiência fria % 72–85 78–86 Tamanho da partícula mm 50–150 <20 Tamanho das partículas do leito mm 0,8–4,0 0,05–0,5 Velocidade de fluidização m/s 2,0–3,0 5,0–10,0

2.2.3.2 Gaseificadores de Leito Arrastado

Em relação a gaseificação em leito arrastado existem diversos tipos de concepções tecnológicas comerciais disponíveis, cujas configurações são alteradas de acordo com o sistema de recuperação de energia e resfriamento dos gases (Figura 2.10). Em relação ao sistema de resfriamento do syngas, o mesmo não pode ser diretamente efetuado, porque o gás sai do gaseificador a uma temperatura elevada contendo partículas arrastadas, o que inviabiliza a troca de calor em trocadores de calor convencionais. Deve-se ter sempre em conta que o vapor é um moderador de temperatura durante a gaseificação em leito arrastado com O2. Portanto, o primeiro conceito de resfriamento do syngas (Figura 2.10) utilizado pelo

gaseificador Shell recicla o gás frio depois do filtro de partículas, resfriando o gás até 900 °C, o que assegura a geração de vapor de média pressão de 22 bar (Tremel et al., 2013; Lee et al., 2012; Martelli et al., 2011).

O segundo conceito é o uso de um trocador de calor de calor para o resfriamento radiante do gás, como no gaseificador da GE. O gás é resfriado até 700 °C para geração de vapor de média pressão. Em seguida, as cinzas são removidas, e o gás pode ser novamente

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resfriado em trocadores de calor convectivos, para produção de vapor saturado. A temperatura mínima é definida como a temperatura de formação de sais de amônia, ou seja, 240 °C. No terceiro conceito o gás é resfriado com água em uma caldeira de recuperação até cerca de 200 °C, desse modo, o calor sensível do gás é utilizado diretamente para gerar vapor saturado, eliminando cinzas e outros compostos solúveis, tais como, NH3, HCl, NH4Cl, KCl, etc.

(Kunze e Spliethoff, 2011; Kunze e Spliethoff, 2010).

A gaseificação de biomassa em leito arrastado ainda não é uma realidade devido principalmente ao alto conteúdo de umidade, alto conteúdo de cinzas, elevada granulometria, baixo poder calorífico, contudo esta tecnologia já foi extensivamente testada para a gaseificação de carvão mineral, de tal maneira que existem diversas plantas de IGCC no mundo para capacidades variando entre 100–1000 MWth. Esses reatores operam na faixa de

1200–1500 °C, pressões da ordem de 20–50 bar, e o combustível utilizado deve estar no estado pulverizado ou pó em estado líquido (lamas). Neste caso o agente de gaseificação utilizado deve ser O2 ou uma mistura de O2 e vapor (Hernández et al., 2010; Silaen, 2010).

Figura 2.10 – Esquema dos possíveis métodos de resfriamento do gás e recuperação de calor (Kunze e Spliethoff, 2011).

Os gaseificadores de leito arrastado podem classificados em dois tipos diferentes, dependendo posição de injeção do combustível no reator de gaseificação: alimentação pela seção superior ou então alimentação pela seção lateral. Em ambos, o combustível e o O2

entram no reator com uma grande velocidade e reagem rapidamente com os voláteis e o char em reações exotérmicas. A liberação de calor é alta, de tal maneira que a temperatura do reator é elevada, bem acima do ponto de fusão das cinzas, o que resulta na destruição

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completa dos alcatrões. Dessa forma, a conversão de carbono deste tipo de reator é muito elevada de aproximadamente 99–100% (Basu, 2010; Higman e van der Burgt, 2008; E4Tech, 2009).

A alta velocidade do escoamento é suficientemente grande para se estabelecer um regime de transporte pneumático. Devido a elevada temperatura, alta taxa de mistura e alta taxa de transferência de calor, a composição química do produto gasoso é muito próxima da calculada pelo equilíbrio químico. As cinzas são removidas em estado líquido e o alcatrão é completamente craqueado, garantindo a produção de um gás com alto poder calorífico e sem a presença de alcatrões e hidrocarbonetos pesados (Qin et al., 2012). A Tabela 2.10 mostra um resumo com as principais diferenças dos vários tipos de reatores de leito arrastado comerciais.

Tabela 2.10 – Principais diferenças dos vários tipos de processo de gaseificação (Liu et al., 2010). Companhia Tipo de alimentação Pressão (MPa) Temperatura (°C) Razão O2/Carvão (kg/kg) Conversão de carbono (%) GE Lamas de carvão 3,0–6,5 1260–1540 0,9 97,2 Shell Carvão seco 3,0 1500–2000 0,86 99,0 ConocoPhillips Lamas de carvão 2,0–4,0 1350–1400 – 98,0% E-Gas Lamas de carvão 2,2–3,0 <1040 0,89 98,9 PRENFLO Carvão seco 3,0 1500–2000 1,03 99,3 GSP Carvão seco 3,0 1600–2000 0,8 98,0 ECUST Lamas de carvão 2,0– 6,5 1300–1400 – 98 – 99 TPRI Carvão seco – 1400–1500 – –

Existem dois tipos de reatores de leito arrastado: gaseificadores que formam depósitos em zonas refratárias do reator (slagging) e gaseificadores que não formam depósitos em zonas refratárias do reator (non slagging). Em um reatores que forma depósitos, as cinzas e os minerais do combustível são fundidos dentro do reator (Siedlecki et al., 2011; Hernández et

al., 2010 Van der Drift et al., 2004).

O material fundido condensa na parede do reator, que estará com uma temperatura menor, e irá criar uma camada de cinzas fundida. Esta camada formada protege o reator, porque ela recobre a região entre a parede e a zona de reação. A camada de cinzas e minerais flui lentamente para baixo do reator onde é removida. Os gaseificadores que não formam depósitos na zona refratária do reator (non slagging) requerem combustíveis com baixo conteúdo de cinzas e minerais, sendo que o máximo teor de cinzas permitido é de 1% (Trop et

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Existe ainda outra classificação para os gaseificadores de leito arrastado quanto ao modo de operação: com resfriamento rápido (quench mode) ou com recuperação do calor por radiação (radiant heat recovery mode). No modo de operação com resfriamento o gás e os depósitos de cinzas produzidos são rapidamente resfriados na parte inferior do gaseificador e borbulhados com uma injeção de água, que solidificará as cinzas, e, além disso, forma-se vapor com o borbulhamento do gás. No modelo com recuperação do calor por radiação o corpo do gaseificador é mais longo, e os tubos para recuperação do calor e geração de vapor são incorporados na parede inferior do reator, para realização do resfriamento da parede. A configuração do tipo radiant heat recovery mode apresenta excelente recuperação do calor e maior proteção das paredes do reator, porém o custo de investimento é maior (Tremel et al., 2013; Tunå, 2013; Trippe et al., 2011; Silaen, 2010). Na Figura 2.11(a) mostra-se o gaseificador Siemens com resfriamento rápido e na Figura 2.11(b) mostra-se o gaseificador Shell com recuperação do calor por radiação.

(a) (b)

Figura 2.11 – Gaseificadores de leito arrastado. (a) Gaseificador Siemens. (b) Gaseificador Shell (Breault, 2010).

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