Desenvolvimento e operação de uma planta piloto para gaseificação do carvão
mineral de candiota
Development and operation of a pilot plant for candiota mineral coal
gasification
DOI:10.34117/bjdv6n9-341
Recebimento dos originais: 15/08/2020 Aceitação para publicação: 15/09/2020
Fernanda Pedroso Guterres
Bacharel em Engenharia Química; Universidade Federal do Pampa – Campus Bagé, Av. Maria Anunciação Gomes Godoy, 1650, Bagé - RS, 96460-000
fernanda_guterres@gmail.com Fernando Dias Sá
Bacharel em Engenharia Química; Universidade Federal do Pampa – Campus Bagé, Av. Maria Anunciação Gomes Godoy, 1650, Bagé - RS, 96460-000
fe.dias.sa@gmail.com Íris Nunes Raupp
Bacharel em Engenharia Química; Universidade Federal do Pampa – Campus Bagé, Av. Maria Anunciação Gomes Godoy, 1650, Bagé - RS, 96460-000
irisraupp@hotmail.com Ana Rosa Costa Muniz
Doutora em Engenharia Química; Universidade Federal do Pampa – Campus Bagé, Av. Maria Anunciação Gomes Godoy, 1650, Bagé - RS, 96460-000
anamuniz@unipampa.edu.br Rodolfo Rodrigues
Doutor em Engenharia Química; Universidade Federal do Pampa – Campus Bagé, Av. Maria Anunciação Gomes Godoy, 1650, Bagé - RS, 96460-000
rodolfo@unipampa.edu.br RESUMO
Na gaseificação, o carvão é transformado em gás combustível através da queima incompleta, isto é, com ar ou oxigênio sub estequiométrico. O gás combustível produzido é chamado de gás de síntese ou syngas, e possui em sua composição prioritariamente CO e H2. O processo de gaseificação ocorre
em equipamentos chamados gaseificadores, sendo o do tipo leito fluidizado o mais indicado para carvões com alto teor de cinza, como é o caso do carvão mineral da jazida de Candiota-RS. Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma planta piloto de gaseificação em leito fluidizado borbulhante para o carvão mineral da jazida de Candiota-RS, bem como, estabelecer uma metodologia para start up da planta. A planta piloto desenvolvida e montada no LEC-UNIPAMPA, permitiu atingir as condições de temperatura e razão molar C/O2, necessárias para gaseificar o carvão
mineral da jazida de Candiota-RS. No momento a planta encontra-se satisfatoriamente operacional. Palavras-chave: gaseificador, carvão mineral, leito fluidizado
ABSTRACT
In gasification, coal is transformed into fuel gas through incomplete burning, that is, with sub stoichiometric air or oxygen. The fuel gas produced is called syngas or syngas, and its composition is primarily composed of CO and H2. The gasification process takes place in equipment called gasifiers, the fluidized bed type being the most suitable for coals with a high ash content, as is the case with the mineral coal from the Candiota-RS deposit. This work aims to develop a bubbling fluidized bed gasification pilot plant for the coal from the Candiota-RS deposit, as well as to establish a methodology for the plant's start up. The pilot plant developed and assembled at LEC-UNIPAMPA, allowed to reach the conditions of temperature and molar ratio C / O2, necessary to gasify the mineral coal of the Candiota-RS deposit. At the moment the plant is satisfactorily operational.
Keywords: gasifier, coal, fluidized bed
1 INTRODUÇÃO
A gaseificação do carvão é um processo no qual o carvão reage com um oxidante resultando em um gás combustível através da queima incompleta, isto é, com ar ou oxigênio sub estequiométrico. O gás combustível produzido pelo processo de gaseificação é chamado de gás de síntese ou syngas, e possui em sua composição prioritariamente CO e H2, contendo ainda CO2 e CH4, entre outros gases
e contaminantes(KIM et al., 1997; ANDRADE, 2007). O syngas pode ser utilizado como substituto do gás natural, bem como para a produção de químicos ou líquidos combustíveis, como por exemplo álcoois, gasolina, óleo diesel, polímeros, entre outros. Pode-se também utilizar o gás de síntese para a produção de energia elétrica através do processo de gasificação integrada a ciclos combinados (Integrated Gasification Combined Cycle – IGCC) (SMOOT e SMITH, 1985; ORTIZ, 2011).
O processo de gaseificação ocorre em equipamentos chamados gaseificadores, sendo o do tipo leito fluidizado o mais indicado para carvões com alto teor de cinza, como é o caso do carvão mineral da jazida de Candiota/RS (QUAAK et al., 1999). A gaseificação em leito fluidizado envolve quatro etapas físico-químicas: (1) secagem (T < 150 °C); (2) pirólise ou desvolatilização (150 ≤ T ≤ 700 °C); (3) combustão (700 ≤ T ≤ 1500 °C); e (4) gaseificação (800 ≤ T ≤ 1100 °C). Os processos 1, 2 e 4 absorvem o calor gerado no processo 3, que é exotérmico. No período de secagem, a umidade presente no combustível sólido evapora e no processo de pirólise os voláteis condensáveis (líquidos orgânicos) e os não condensáveis, são perdidos. Na combustão há a oxidação de componentes do combustível, enquanto que na gaseificação, tais componentes são reduzidos à gases combustíveis (LEE et al., 1998; BASU, 2006).
Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma planta piloto de gaseificação em leito fluidizado borbulhante para o carvão mineral da jazida de Candiota-RS, bem como, estabelecer uma metodologia para start up da planta.
2 METODOLOGIA
O gaseificador existente no Laboratório de Energia e Carboquímica da UNIPAMPA (LEC-UNIPAMPA), é mostrada na Figura 1. Esse reator é constituído por duplo estágio, região de plenum, onde ocorrem as reações gás-sólido, e de freeboard, onde ocorrem as reações gás-gás.
Na base do plenum encontra-se um sistema de distribuição de ar, com bicos injetores. A vazão de ar é controlada por válvula globo e rotâmetro. O sistema de alimentação de carvão é constituído por um parafuso transportador com velocidade controlada, por um variador de frequência, válvula rotativa e rosca sem fim de velocidade constante, que alimenta o reator no primeiro estágio. Ainda, há um tambor para coleta das cinzas pesadas.
Na região de freeboard, há uma “janela”, que é utilizada para adição de inerte (areia de quartzo 40/50) e de parte do carvão pulverizado, necessário para dar partida ao processo. No topo da região de freeboard há um ciclone, para a coleta de partículas leves que são arrastadas no processo, chamadas de cinzas leves, as quais são armazenadas em um tambor. A jusante do ciclone há uma sequência de operações de separação líquido-gás, constituída por dois condensadores de água em série e uma centrífuga. A fase líquida é coletada e denominada alcatrão de carvão. Os gases não condensáveis são direcionados para uma chaminé conectada a um flare na sua extremidade.
Figura 1 – Dimensões e partes componentes do gaseificador do LEC-Unipampa.
3 RESULTADOSEDISCUSSÃO
Para dar início ao processo o aquecimento é realizado por uma resistência elétrica de 3 kW, envolta na região do plenum, que fornece o calor necessário para atingir a temperatura de ignição do carvão. O processo global de gaseificação é termicamente autossustentável, sendo necessário o fornecimento de calor somente no início do processo, até que se atinja a temperatura de ignição do
carvão. Na temperatura de 200ºC, o compressor de ar é acionado e as vazões de ar ajustadas para 9 e 2,5 Nm³/h, no plenum e no freeboard, respectivamente. Na temperatura de 380 °C, a resistência é desligada e são ligados os sistemas de alimentação de carvão e de condensação do alcatrão e deixado atingir estado estacionário.
A planta piloto desenvolvida no LEC-UNIPAMPA, em parceria com a empresa Bioware Desenvolvimento de Tecnologia de Energia e Meio Ambiente Ltda., mostrou-se adequada para gaseificar o carvão mineral de Candiota, permitindo a coleta de cinzas e de alcatrão (Figuras 2 e 3), e de syngas. Também, permitiu a aquisição de dados on line dos perfis de pressão e temperatura, nas regiões do plenum e do freeboard e conseguiu atingir o estado estacionário.
Figura 2 – Cinzas leves. Figura 3 – Alcatrão.
As análises físicas e químicas dos produtos e coprodutos da gaseificação serão realizadas no LEC-UNIPAMPA, por meio de Cromatografia Gasosa, Cromatografia Líquida de Alta Performance, Absorção Atômica e por Calorimetria.
4 CONCLUSÕES
A planta piloto, desenvolvida e montada no LEC-UNIPAMPA, permitiu atingir as condições de temperatura e razão molar C/O2, necessárias para gaseificar o carvão mineral da jazida de
Candiota-RS, bem como coletar produtos e coprodutos da gaseificação, para análise in loco. No momento a planta encontra-se satisfatoriamente operacional.
REFERÊNCIAS
ANDRADE, Rubenildo Vieira. Gaseificação de biomassa: uma análise teórica e experimental. 2007. Tese de Doutorado. Universidade Federal de Itajubá.
BASU, Prabir. Combustion and gasification in fluidized beds. CRC press, 2006.
KIM, Yong Jeon; LEE, Jong Min; KIM, Sang Done. Coal gasification characteristics in an internally circulating fluidized bed with draught tube.Fuel, v. 76, n. 11, p. 1067-1073, 1997.
LEE, Jong Min et al. Coal-gasification kinetics derived from pyrolysis in a fluidized-bed reactor. Energy, v. 23, n. 6, p. 475-488, 1998.
ORTIZ, P. A. S. Avaliação Técnico-Econômica de Sistemas IGCC Utilizando Coque de Petróleo e Carvão Mineral como Combustível. [s.l.] Universidade Federal de Itajubá, 2011.
QUAAK, Peter; KNOEF, Harrie; STASSEN, Hubert. Energy from biomass. World Bank technical paper no. 422. Energy series.1999.
