Variáveis do processo de gasificação de biomassa

1.4.6.1 Agente de gasificação

No processo de gasificação têm sido testados diversos agentes como o ar, vapor de água, oxigénio ou dióxido de carbono, tanto isolados como em misturas. Existe uma grande dependência entre o agente de gasificação e as características da mistura gasosa obtida, nomeadamente a sua composição e o seu poder calorífico.

O uso de ar no processo de gasificação, provoca uma grande redução no poder calorífico do gás obtido, devido ao efeito de diluição do azoto. Narvaéz et al., 1996, estudaram a gasificação com ar a 800ºC, usando uma RE de 0,35 e obtiveram uma composição contendo 10% H2 , 14% CO (v/v), 15% CO2 (v/v) e uma fracção maioritária de azoto. Embora sejam propostos valores de RE elevados com o objectivo de reduzir o conteúdo de alcatrões devido ao aumento do oxigénio disponível na zona de pirólise, estes têm a desvantagem de reduzir os teores de H2 e CO e de aumentarem o CO2, acompanhado pela correspondente redução no poder calorífico.

Como o uso de ar provoca a obtenção de gás com uma composição relativamente pobre e o correspondente baixo valor calorífico, tem sido proposto o uso de vapor como agente de

gasificação, pois este conduz à produção de misturas gasosas praticamente isentas de azoto e com teores superiores a 50% de H2. Herguido et al., 1992 estudaram o efeito da razão vapor/biomassa nos produtos de gasificação para a gama 0,5–2,5 (m/m). O aumento daquela razão provocou um aumento do H2 e CO2, uma forte redução no CO, uma ligeira redução no CH4 e uma variação mínima nas fracções C2 (C2H2, C2H4, C2H6). Os teores de alcatrões mostraram uma grande redução, mas também se verificou uma redução no poder calorífico do gás, atribuída à redução do CO.

A elevada produção de H2 provocada pelo vapor explica-se pela maior importância das reacções de gás de água (1.4) e (1.5), “water gas-shift” (1.7) e de “reforming” com vapor (1.8) a (1.11). Nestas condições o processo de gasificação é endotérmico, sendo necessário o fornecimento de energia externa ao sistema, o que se pode tornar relativamente complexo e dispendioso.

Muitos autores têm proposto o uso de misturas de vapor com oxigénio na gasificação de biomassa. O uso de oxigénio nestas misturas pode fornecer a energia necessária ao processo de gasificação, tornando o sistema autosustentável do ponto de vista energético. O trabalho de autores como Aznar et al., 1997, referiram que o uso destas misturas no processo de gasificação de biomassa provocava uma redução de 85% na emissão total de alcatrões ao aumentar a razão (vapor + O2)/biomassa de 0,7 para 1,2 (m/m).

Gil et al., 1997, estudando a gasificação de biomassa com vapor de água e oxigénio recomendaram uma razão H2O/O2 de 3,0 (mol/mol) tendo verificado que o aumento da razão (vapor + O2)/biomassa de 0,6 para 1,7 provocava uma redução no H2 e no CO, um aumento no CO2, e uma ligeira redução no CH4 e em hidrocarbonetos do tipo C2. Esta variação provocava ainda uma grande diminuição nas emissões de alcatrões. Estes autores recomendam uma temperatura óptima de gasificação na gama 800–860ºC, com uma razão (vapor + O2)/biomassa entre 0,8 e 1,2. Os mesmo autores, fazendo comparações com o trabalho de Narvaéz et al., 1996 e Herguido et al., 1992, concluiram que para condições análogas o uso de vapor puro conduz a teores mais elevados de alcatrões, enquanto que o uso de ar produz teores mínimos, sendo obtidos valores intermédios com misturas de vapor-O2 como agente de gasificação.

O uso de CO2 como agente de gasificação tem sido também considerado como promissor, uma vez que esta é uma das espécies já presentes na mistura existente no gasificador. Estudos realizados por Minkova et al., 2000, usando misturas de vapor–CO2 indicaram que este é um agente importante na activação das reacções de “reforming” (1.12) a (1.14). Garcia et al., 2000 estudaram a gasificação catalítica usando CO2 e um catalizador de Ni/Al. Em comparação com o uso de vapor verificaram que o efeito combinado do CO2 e do catalisador provocou uma redução dos alcatrões e dos hidrocarbonetos mais leves: CH4, C2H2, C2H4 e C2H6 que foi acompanhada por um aumento dos rendimentos em H2 e CO. Os autores verificaram que ocorria um efectivo consumo de CO2, pois com o uso de uma razão de CO2/biomassa de 1,16 (m/m) se verificava uma redução nos seus teores. Para evitar a deposição de carbono no catalisador seria necessário usar um maior excesso de CO2, sendo activada a reacção de Boudouard (1.3).

1.4.6.2 Temperatura

As conclusões gerais quanto ao efeito de cada variável experimental são concordantes entre os trabalhos da maioria dos autores, embora possam surgir divergências devido à metodologia considerada e ao tipo de fenómeno individual que cada autor procurou caracterizar.

Verifica-se que para atingir uma conversão elevada da biomassa e um teor reduzido de alcatrões na mistura gasosa obtida é necessário utilizar uma temperatura relativamente elevada, superior a 800 C. O efeito da temperatura de gasificação na composição da mistura gasosa obtida é muito pronunciado. Variações típicas causadas pelo aumento da temperatura de 750ºC a 850ºC num reactor de leito fluidizado, correspondem a um aumento do teor de H2 e CO, ligeira redução no teor de CO2 e variação mínima nos teores de CH4 e C2H2 (Narvaéz et al., 1996). Os mesmos autores indicam uma redução drástica (cerca de 74% menos) no teor de alcatrões presentes na mistura gasosa obtida. Kinoshita et al., 1994 indicam conclusões semelhantes tendo verificado que o número total de compostos presentes nos alcatrões se reduz com o aumento da temperatura. Compostos contendo oxigénio como o fenol, cresol e benzofurano apenas existem em quantidades significativas a temperaturas inferiores a 800ºC. O uso de temperaturas mais elevadas, superiores a 850ºC, provocou a destruição de alcatrões com substituintes aromáticos como o benzeno, naftaleno ou fenantreno. Com estudos em condições de pirólise realizados por Yu et al., 1997, verificou-se que a destruição de alcatrões provocada pelo aumento da temperatura era acompanhada pelo aumento das espécies gasosas. Aumentando a temperatura entre 700ºC e 900ºC verificou-se uma redução de 40% na conversão em alcatrões. Estes autores observaram ainda que neste caso a fracção de componentes contendo oxigénio se reduzia drasticamente, tal como as espécies contendo 1 e 2 anéis aromáticos, contudo as espécies contendo 3 e 4 anéis aromáticos apresentaram um aumento substancial, o qual foi de quase 40% para o naftaleno à temperatura de 900ºC.

O uso de temperaturas elevadas, embora possa ser considerado benéfico para o processo de gasificação pode ter efeitos adversos, pois causa uma redução no poder calorífico do gás obtido, aumentando ainda o risco de sinterização da matéria mineral existente no interior do equipamento. Em contrapartida, a conversão do carbonizado proveniente do combustível é melhorada a temperaturas mais elevadas.

1.4.6.3 Tempo de residência

Kinoshita et al., 1994, verificaram que os tempos de residência não tinham um efeito muito apreciável no rendimento de alcatrões mas que influenciavam significativamente a sua composição. O teor de compostos contendo oxigénio tendia a diminuir para maiores tempos de residência. Simultaneamente, os rendimentos de compostos com 1 ou 2 anéis aromáticos (excepto benzeno e naftaleno) tinham tendência a diminuir, enquanto que os compostos com 3 ou 4 anéis aromáticos aumentavam de proporção nos alcatrões produzidos.