&Jti
DEPARTAMENTO DE CONSTRU<;:6ES RURAIS
VUJ~twv
~~
!M ~~
dL&»f~d;,ofv
I,
(,~1!vJ
tn,dJ.,
I:'~c4v
I •
"!~;,
.~t"~
v "'~PROJETO, CONSTRU<;:AO E A V ALIA<;:AO
PRELIMINA~
DE UM
REA TOR DE LEITO FLUIDIZADO PARA GASEIFICA<;:AO DE
BAGA<;:O DE CANA-DE-A<;:UCAR
por
Edgardo Olivares Gomez
Campinas, outubro de 1996 Sao Paulo
DEPARTAMENTO DE CONSTRU(:OES RURAIS
PROJETO, CONSTRU«;:AO E A V ALIA«;:AO PRELIMINAR DE UM
REA TOR DE LEITO FLUIDIZADO PARA GASEIFICA«;:AO DE
BAGA«;:O DE CANA-DE-A«;:UCAR
Autor: Edgardo Olivares Gomez
Orientador: Prof. Dr. Luis Augusto Barbosa Cortez
~·-Dissertac;ao apresentada
a
comissao de P6s-Graduac;ao da Faculdade de Engenharia Agricola como parte das exigencias para a obtenc;ao do titulo de Mestre em Engenharia Agricola, area de concentrac;ao de Construc;oes Rurais.Campinas, outubro de 1996 Sao Paulo
r:_ ..
-,J\t:J,-
BC/~::.·c.(
FICHA CATALOGR.AfiCA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA AREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP
OL4p
Olivares Gomez, Edgardo
Projeto, construvao e avaliavao preliminar de urn reator de leito fluidizado para gaseificayao de bagayo de cana-de-avilcar I Edgardo Olivares G6mez.--Campinas, SP: [s.n.], 1996.
Orientador: Luis Augusto Barbosa Cortez.
Dissertavao (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agricola.
I. Gaseificaviio: 2. Leito fluidizado'l. 3. Bagavo de canaY· 4. Energia da biomassa'< I. Cortez, Luis Augusto Barbosa. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Agricola. III. Titulo.
povos se entenderao, nao para destruir, mas para edificar."
vida que me deram, a minha querida esposa Isabel, pelo grande amor, compreensiio e apoio,
a
minha filha Cynthia, por ser ela parte de mim e a urn irmiio de ontem que parece de sempre, Ivan, pela possibilidade que me deu de conhece-loAo Prof Dr. Luis Augusto Barbosa Cortez, pela amizade, ajuda e orientayao no trabalho;
A Fundayao de Amparo
a
Pesquisa do Estado de Sao Paulo-FAPESP, pela concessao da bolsa de estudo;Ao Prof Dr. Caio Glauco Sanchez, pelo apoio na realizayao dos ensaios experimentais, tanto pessoalmente quanto em equipamentos, local, instrumentayiio e tempo de consulta;
Ao Prof Dr. Electo Silva Lora, pela participayao nos experimentos e pelas vilrias vezes em que solicitei sua cooperayao e paciencia na discussao dos mais diversos problemas relacionados com o trabalho de tese;
Ao Sr. Themistocles Rocha Neto, pela sua imprescindivel ajuda na construyao do prot6tipo de gaseificador e pelos conhecimentos por ele transmitidos;
Ao Prof Dr. Luis Emesto Brossard Perez, da Universidad de Oriente, Cuba, pela imensa colaborayao para o trabalho;
Aos tecnicos e funcionarios do Laborat6rio de Combustiveis e Combustao do Departamento de Engenharia Termica e de Fluidos da Faculdade de Engenharia Mecaruca-UNICAMP, Luiz Zanaga, Antonio Mauricio di Pieri, Gonyalvez Aparecido Plinis, Luis Gama e Luciano Rodrigo da Silva;
Aos tecnicos e funcionarios da TERMOQUIP ENERGIA ALTERNATIVA LTDA., Edivaldo, Jose Maria, Marisa e todos os demais;
Aos estudantes de Mestrado Fernando Lucambio do IMEC-UNICAMP e Lino Rosell da FEE-UNICAMP, pela valiosa colabora9iio e amizade;
As secretarias da P6s-Gradua<;ao da Faculdade de Engenharia Agricola-UNICAMP,Ana Paula (Aninha) e Marta, pela amizade e orienta<;iio na soluyao dos problemas co-relacionados com a tese e outros;
As
secretarias do Departamento de Constru9oes Rurais da FEAGRI-UNICAMP Vanessa e Deyse, pela amizade e ajuda no dia a dia;A minha querida familia no Brasil, Leonilde, Telma, Adail e Daniel, pela grande for9a que sempre me deram;
apoio e sinais de afeto e carinho;
Aos colegas da P6s-Gradua91io Simona e Junior ( el pequeiio ), pela amizade sincera e colabora91io na reda91io e corre91io da tese;
A Rosilene da FEM-UNICAMP pela sua participa91io nos experimentos.
Aos funcionanos da FEAGRI-UNICAMP Dagoberto, Chico Dario e especialmente Anesio, pelos la9os de respeito e afeto;
Ao Sr. Robison pela grande ajuda na elaborayao dos desenhos e fotografias; Ao Departamento de Termoenergetica-Universidad de Oriente, Cuba; Ao Brasil que me recebeu;
INDICE DE TABELAS ... IV
RESUMO ... ··· ... VI
ABSTRACT... . ... viii
NOMENCLATURA ... x
I. INTRODU<;:AO ... 1
I. L A biomassa como fonte de energia no mundo ... I 1.2. Tecnologias alternativas para a conversao termoquimica da biomassa ... .4
1.3. A tecnologia de gaseifica.,:ao de baga.,:o de cana-de-a.,:ucar em leito fluidizado ... 6
1.4. Motiva.,:ao ... 9
2. OBJETIVOS.. ... .. . .. . .. . . ... . ... . .. . .. .. ... .. . ... ... . ... . ... 13
3. REVISAO BIBLIOGRMICA .. . ... 14
3 .I. A biomassa vegetal no Brasil. Papel dos sub-produtos da industria canavieira (baga<;:o e palha da cana-de-a.,:ucar) ... 14
3.2. A tecnologia de gaseifica.,:ao como alternativa de conversao ... l7 3.2.1. Principais op.,:oes de reatores para sistemas de gaseifica.,:ao ... 19
3.2.1.1. Reatores de leito fixo (reatores tradicionais) ... 20
3 .2.1.2. Reatores de leito fluidizado ... 22
3.2.2. Tecnologia de gaseifica.,:ao em leito fluidizado ... 26
3.3. Principais projetos de pesquisa desenvolvidos na area de gaseifica.,:ao de biomassa em leito fluidizado ... . . .... 30
3 .3 .I. Sistema de alimenta.,:ao de combustive! para reatores de lei to fluidizado ... 3 8 3.3.2. Sistema de distribui.,:ao do agente de fluidiza.,:ao ... ..40
3.3 .3. Mecanismo de partida do reator de leito fluidizado ... ..41
3 .4. A tecnologia BIG/GT -CC ... 42
3. 5. Experiencias na gaseifica.,:ao de baga.,:o de cana-de-a.,:ucar em leito fluidizado no Brasil. ... 4 7 4. CARACTERIZACAO FiSICO-QuiMJCA DA BIOMASSA ... .49
4.1. Introdu.,:ao ... 49
4.3.2. Anilise do poder calorifico ... 53
4.3.3. Analise granulometrica ... 54
4.3.4. Densidade aparente ... 57
4.4. Tratamento e ana.Jise dos resultados ... 57
4. 4. I. Ana.Jise imediata. . . ... . . ... 57
4.4.2. Analise do poder calorifico ... 59
4.4.3. Ana.Jise granulometrica ... 60
4.4.4. Densidade aparente ... 65
5. MATERIAL E METODOS ... . ... 66
5. I. Introdw;iio ... . . ... 66
5.2. Caracteristicas fluidodiniimicas do leito fluidizado ... . . .... 66
5.2.1. Velocidade superficial da minima fluidiza.;iio ... 66
5.2.2. Velocidade terminal... ... 70
5 .2.3. Queda de pressiio em leito fluidizado ... 72
5.3. Projeto e constru.;iio da instala.;iio de gaseifica.;iio em leito fluidizado ... 7 4 5.3.1. Caracteristicas gerais ... 74
5.3.2. Dimensionamento e detalhes construtivos ... . . ... 77
5.3 .2.1. Dimensionamento do reator ... . . ... 77
5.3.2.2. Dimensionamento do sistema de distribui.;iio dear ... 83
5.3.2.3. Dimensionamento do sistema de alimenta.;ii.o de combustive! ... 93
5.3.2.4. Dimensionamento do ciclone ... . 5. 4. Montagem experimental ... . . .... 97
. .. 102
5.4.1. Introdu.;iio ... 102
5. 4 .2. Procedimento de calibra.;iio do sistema de alimenta.;iio de combustive!. Ana.Jise preliminar das incertezas nas medi.;oes ... I 04 5.4.3. Sistema de amostragem do gas combustive! e acondicionamento da amostra. Ana.Jise cromatogritfica ... I 09 5. 4.4. Instrumenta.;iio e equipamentos de medida ... II 0 5. 5. Procedimento experimental ... 112
5. 5. 3. Ensaios experimentais ... 115 6. RESULTADOS E DISCUSSA0 ... 118 6. 1. Introduyiio ... 118 6.2. Avaliayiio do desempenbo do gaseificador... ... ll8 6.2.1. Metodologia para a aniilise dos resultados experimentais ... 119 6.2.2. Metodologia de avaliayiio energetica do gaseificador. Programa de
calculo para o balanyo de energia e massa ... 120 6.3. Resultados experimentais e discussiio dos resultados ... 128 6.3.1. lntroduyao ... 128 6.3.2. Desempenbo do sistema de alimentayiio de combustive! e de
distribuiyiio de ar ... . ... 1E 6.3.3. Apresentar;:iio e discussiio dos modelos de correlayiio ... l33 7. CONCLUSOES E SUGESTOES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 150 8. REFERENCIAS BffiLIOGRMICAS ... 152 ANEXOS ... 159
Figura 1. 1 - Consumo de energia primliria no mundo a partir de varias fontes
(MUTANEN, 1993) ... 2
Figura 1.2- Processo de gaseificaviio da biomassa (MUTANEN, 1993) ... 5
Figura 1.3 - Esquema da unidade de gaseificaviio em escala de planta piloto do IPT -Sao Paulo ... 9
Figura 3 .I - Consumo total de fontes primarias de energia no Brasil. Balanvo energetico nacional, 1995 ( ano base 1994) ... 15
Figura 3.2 - Tecnologias alternativas para a conversiio energetica dos combustiveis solidos ... 19
Figura 3.3 - Prot6tipos de gaseificadores de leito fixo ... 21
Figura 3.4 - Esquema do reator de "topo aberto" do Indian Institute of Science (MUKUNDA, 1995) ... ... 23
Figura 3. 5 - Esquema de urn reator de leito fluidizado de I' geraviio ... 24
Figura 3. 6 - Esquema de urn reator de leito fluidizado circulante ... 25
Figura 3.7- Sistemas de alimentaviio para reatores de leito fluidizado ... 40
Figura 3. 8 - F oto da placa de distribuiviio de ar com os borbulhadores. Distribuidor utilizado no reator avaliado ... 42
Figura 3.9- Configuraviio da tecnologia BIG/GT-STIG ... .45
Figura 3.10- Planta em escala demonstrativa da tecnologia BIG/GT-CC... . ... 46
Figura 4 .I - Comparaviio entre a densidade proposta e os val ores amostrais obtidos ... 62
Figura 4.2 - Funviio de densidade de probabilidade ... 63
Figura 4.3 - Histograma de distribuiviio de tamanhos das particulas para duas amostras tipicas de palha de cana ... 64
Figura 5 .I - Regime fluidodiniimico do sistema solido-gas em condiv5es de fluxo vertical ascendente ... 73
Figura 5.2- Foto do sistema de gaseificaviio ... 77
Figura 5.3 - Algoritmo de calculo dos principals pariimetros de projeto ... 81
Figura 5.4- Esquema dimensional do prot6tipo de reator de leito fluidizado ... 84
Figura 5.6- Modelo dimensional do borbulhador com tampa ... 92 Figura 5. 7 - Dimensoes construtivas da placa de distribui9iio ... 92 Figura 5.8 -Esquema dimensional do sistema de alimentayiio de biomassa ... 96 Figura 5. 9 - Esquema dimensional do ciclone ... I 03 Figura 5 .I 0 - Estrutura de montagem do sistema de gaseificayiio ... I 03 Figura 5 .II - Curva de vaziio de baga90 de cana "in natura" ... I 06 Figura 5.12- Curva de vaziio de pellets de bagayo de cana ... 106 Figura 5.13 - Curva de vaziio de baga9o de cana "in natura' em fun9iio do numero
de vezes que foi descarregado ... I 07 Figura 5.14 - Sistema de amostragem do gas ... I 09 Figura 5 .I 5 - Cromatografo utilizado nos testes de gaseifica9iio ... 110 Figura 5.16- Cromatograma tipico ... 111 Figura 5.17- Curva de vaziio dear ... 112 Figura 5.18 - Grafico que representa o aquecimento do leito durante
a partida do reator.. ... II 5 Figura 6.1 -Esquema para ilustrar o balan9o energetico do gaseificador.. ... 121 Figura 6.2- Curva de ajuste do produto (Ccinz t) em fun9iio da temperatura L ... 122
Figura 6.3 -Esquema do sistema de alimenta9iio proposto ... 130 Figura 6.4- Condi9oes fluidodiniimicas do leito de material inerte no inicio da
fluidiza9iio ... 13 2 Figura 6.5- Poder calorifico inferior do gas em fun9iio do fator de ar ... 135 Figura 6.6- Poder calorifico inferior do gas em fun9iio da temperatura
media do leito ... 136 Figura 6. 7- Concentrayiio de CO, H2 e C~ em fun9iio do fator dear ... 137 Figura 6.8- Concentrayiio de CO, H2 e C~ em fun9iio da temperatura media do leito ... 138 Figura 6. 9 - Perdas de energia no gaseificador em fun9iio do fator de ar ... 13 9 Figura 6.10- Vaziio de solidos elutriados do leito em fun9iio do fator de ar ... l41 Figura 6.11 - Vaziio de carbono no residuo solido elutriado em fun9iio do fator de ar ... l42 Figura 6.12 - Concentra9iio de carbono no residuo solido em fun9iio do fat or de ar ... 144 Figura 6.13- Temperatura media do leito em funyiio do fator dear ... 145 Figura 6.14 - Eficiencia a fiio e a quente do gaseificador em fun9iio do fator de ar ... 146
Figura 6.15 - kgg;,/k:Scomb· em funyiio do fat or de ar ... 14 7 Figura 6.16- Eficiencia a frio e a quente do gaseificador em funyiio
INDICE DE TABELAS
Tabela I. I - Produyao de energia eletrica e demanda de vapor para uma usina tipica de ayucar ou destilaria de alcool segundo diferentes variantes de cogerayao
(OGDEN et al., 1990) ... 7
Tabela 3.1 - Safra sucroalcooleira na regiao centro-sui (dados do AIAA) ... 15
Tabela 3.2 - Melhor variante da tecnologia de gaseificayao para diferentes niveis de capacidade de produyao de energia eletrica, (BLACKADDER et al., 1992) ... 26
Tabela 3.3 - Pariimetros de operayao, eficiencia, caracteristicas construtivas e da biomassa (gaseificadores em escala de laborat6rio) ... 31
Tabela 3.4- Parametros de operayao, eficiencia, caracteristicas construtivas e da biomassa (gaseificadores em escalade planta piloto ) ... 33
Tabela 3.5 - Pariimetros de operayao, eficiencia, caracteristicas construtivas e da biomassa (unidades em escalade plantas demonstrativas/comerciais) ... 36
Tabela 4.1 - Variedades de cana-de-ayucar do bagayo e da palha estudadas ... 50
Tabela 4.2- Serie de peneiras utilizadas na analise de distribuiyao granulometrica do bagayo da cana-de-ayucar ... 56
Tabela 4.3 - Serie de peneiras utilizadas na analise de distribuiyiio granulometrica da palha da cana-de-ayucar ... 56
Tabela 4.4- Resultados da analise imediata obtidos na literatura para as biomassas avaliadas ... 59
Tabela 4.5 -Resultados obtidos da analise imediata ... 59
Tabela 4.6- Resultados obtidos da analise do poder calorifico superior (base seca) ... 60
Tabela 4. 7 - Composiyiio elementar media utilizada nos calculos ... 60
Tabela 4.8- Resultados da analise granulometrica do bagayo de cana ... 61
Tabela 4.9- Resultados do calculo das probabilidades ... 61
Tabela 4.10 - Resultados da analise granulometrica para a palha de cana ... 64
Tabela 5.1 - Melhores val ores do fator de ar para diferentes tipos de biomassa ... 78
Tabela 5.2 - Caracteristicas do bagayo de cana-de-ayucar utilizado nos calculos do projeto ... 80
Tabela 5.4- Parametros de projeto calculados ... 82 Tabela 5.5- Composi<;:ao quimica do concreto refratario isolante utilizado no reator ... 82 Tabela 5.6- Granulometria da alumina utilizada como material inerte do leito
(grao 46) ... 113 T abela 5. 7 - V azao de ar estimada ... 116 Tabela 5.8 - Vazao de combustive! estimada ... 117
RESUMO
OLIVARES, E.G.
Projeto,
constru~aoe
avalia~aopreliminar de um rea tor de
leito fluidizado para
gaseifica~aode
baga~ode
cana-de-a~ucar.Campinas:
FEAGRIIUNICAMP,
1996.
(Disserta(j:ao-Mestrado
em
Engenharia Agricola)*
0 interesse atual pela gaseifica9ao de biomassa no mundo esta baseado em dois aspectos principals: (a) A possibilidade de se desenvolver comercialmente a tecnologia BIG/GT-CC (Biomass Integrated Gasifiers /Gas Turbine-Combined Cycles) que permite dirninuir o custo do kW.h desde valores de aprox:imadamente 8 centavos utilizando a tecnologia
convencional (com ciclo Rankine), ate valores estimados de 3,8 centavos utilizando a
tecnologia BIG/GT-CC de segunda gera9ao (com turbinas a gas mais eficientes) e (b) A sua
utiliza9ao contribui na melhoria do balan90 de C02, de NOx e de SOx na atmosfera, quando
comparado com os combustiveis f6sseis. Sem duvida, o primeiro destes aspectos tomaria a energia obtida a partir da biomassa competitiva com rela9ao a energia obtida a partir dos combustiveis comvencionais.
Nesta dire9ao varios projetos estao sendo desenvolvidos em diversos paises do mundo, por empresas do setor energetico, institu96es de pesquisa e grupos de pesquisa a nivel de universidades.
A Faculdade de Engenharia Agricola-UNICAMP em colabora9ao com o Departamento de Engenharia Termica e de Fluidos da Faculdade de Engenharia Meciinica-UNICAMP,
desenvolveu o projeto de urn prot6tipo de reator de leito fluidizado de 280 kW de potencia
termica visando a gaseifica9ao dos subprodutos da agroindustria sucroalcooleira, o baga9o e a palha da cana-de-a9ucar. Para tanto foi necessario desenvolver uma metodologia aprox:imada de dimensionamento do reator, que embora nao considere uma teoria rigurosa constitui uma uti! ferramenta pratica. 0 projeto considerou tambem 0 dimensionamento do sistema de
distribuiyao do agente de gaseificayao (ar), do sistema de alimentayao de biomassa e do ciclone da instalayao de gaseificayao.
A construyao e montagem da instalayao e da estrutura de suporte foi realizada pela
TERMOQUIP ENERGIA ALTERNATIVA LTDA, de Campinas, Sao Paulo.
Os primeiros testes a frio e em condiyoes de gaseificayiio permitiram comprovar as dificuldades e limitayoes impostas pelo sistema de alimenta9iio (do tipo rosca sem-fim), devido as quais foi praticamente impossivel desenvolver os experimentos quando trabalhando com
baga90 ("in natura") e palha da cana.
Como resultado dos testes realizados utilizando pellets de baga9o de cana, verificou-se
urn aceitavel desempenho energetico do reator para a faixa de fator de ar empregada de 0,17
ate 0,22. 0 poder calorifico inferior medio do gas obtido foi de 4 MJ/Nm3, valor considerado born na gaseifica9iio com ar. Os maiores valores da eficiencia a frio e a quente do gaseificador
(29,23 % e 33,42% respectivamente) foram obtidos para urn valor de 0,22 do fator de ar, nao sendo verificado neste ponto seu valor maximo por limitayoes na opera9ao do reator para maiores valores do fator de ar. Elevados valores das perdas ao meio ambiente sao, provavelmente, a principal causa das baixas eficiencias. Nestas perdas sao consideradas as perdas de energia pelo carbono nao gaseificado que permaneceu no leito e as perdas com o alcatriio e os particulados solidos no gas de saida do ciclone, as quais niio foram avaliadas por falta de medidas experimentais.
0 completamento da avalia9iio do desempenho do reator e feita com o calculo das perdas de energia com a entalpia sensivel do gas de saida e com o residuo solido que sai por baixo do ciclone, cujos valores foram aceitaveis na faixa de fator de ar estudada.
ABSTRACT
The present interest in biomass gasification throughout the world is fundamented in two mam aspects: a) the potential for commercial development of the BIG/GT-CC (Biomass Integrated Gasifiers/Gas Turbine-Combined Cycles) technology which allows costs of US$ 0,038/k:Wh against some US$ 0,08/k:Wh when utilizing existing the Rankine cycle conventional systems; b) the use of biomass gasification may contribute to improve the C02 balance and
reduce NO, and SOx emissions in the atmosphere because the source of energy utilized is biomass and recovers a carbon which is already present in the biosphere.
Several projects are being oriented in this direction throughout the world and are lead by private companies and research groups from universities. The School of Agricultural Engineering- FEAGRI from the State University of Campinas-UNICAMP, Brazil, in cooperation with the School of Mechanical Engineering-FEMIUNICAMP has developed a prototype of a fluidized-bed reactor to gasifY by-products from the sugar-ethanol industry, such as the bagasse and the trash (leaves and tops). To implement this research it was necessary to develop a method for sizing the reactor combining practical parameters and a theoretical approach. In this project it was considered also the sizing of other auxiliary systems: the gasifYing agent (air) distribution, the biomass feeding, and the cyclone for gas purification.
The construction and assembling of the whole installation as well as the structure was conducted by Termoquip Energia Alternativa Ltda, a leading enterprise dedicated to biomass gasifier construction with factory located in Campinas, Brazil.
The first "cold" tests in gasification conditions allowed to confirm the difficulties and limitations imposed by the biomass feeding system (screw type). It was almost impossible to conduct experiments when working with bagasse "in natura" and straw. However, the obtained results when bagasse pellets were used indicated acceptable reactor energy efficiency for an air factor in the range of 0.17 to 0.22. The obtained gas low heating value was 4 MJ/Nm3 which was considered acceptable for air gasification. The higher reactor "cold" and "hot" efficiencies were 29,23% and 33.42%, respectively. They were obtained for air factors of0.22. However, it was not possible to obtain higher efficiencies because the reactor operating conditions did not allow tests with higher air factors. High energy losses to the environment are probably the main cause for low efficiencies. Within these losses are included the non-gasified carbons which
remained in the reactor bed and the losses with tar and solids or particulate found in the exiting gas after the cyclone. These losses were not evaluated due to the lack of appropriated experimental equipment.
The overall thermodynamic evaluation was done calculating the energy losses from the sensible enthalpy from the exiting gas which values were considered acceptable for the studied air-factor.
A; A,. B Ccarsoi
co
CH, C" Ca Co D, DErq
Ed
Emg
Et
f.es
FA ghlmin
NOMENCLATURA
' 2Area da sec9ao transversal do reator, m
Area da sec9ao transversal da tubulayao de entrada de ar no plenum, m2 Nfunero de Arquimedes do sistema s61ido-fluido
Fechamento do balan90 de massa, % Teor de carbono fixo no residuo solido, %
Concentra,.:ao de mon6xido de carbono no gits combustive!, % (em volume) Concentra9ao de metano no gas combustive!,% (em volume)
Teor de carbono no combustive!,% (em massa)
Fator que considera a inclina9ao do alimentador em rela9ao a horizontal Coeficiente de arraste
Coeficiente de descarga do orificio
Diiimetro medio das particulas do material inerte do leito, m Diiimetro interior dos bicos de ar, m
Diiimetro dos orificios dos bicos de ar, m Diiimetro equivalente do leito, m
Diiimetro da sec9iio transversal do reator, m
Diiimetro da rosca do alimentador de combustive!, m Diiimetro do corpo do ciclone, m
Eficiencia a frio do gaseificador, % Eficiencia a quente do gaseificador, % Demanda de energia do processo, MW Eficiencia media do gaseificador, % Potencia terrnica do gaseificador, MW Fator de seguran9a
Fator dear
Acelerayao da gravidade, m/s2 Altura minima do leito expandido, m
H Altura do leito expandido, m
H2 Concentrayao de hidrogeruo no gas combustive!,% (em volume)
H..r
Altura do leito nas condiyoes de minima fluidizayao, m Hr Altura do leito estacionitrio de particulas, mH" Teor de hidrogenio no combustive!,% (base umida)
H'
Teor de hidrogenio no combustive!,% (base seca)kr8 Vazao especifica de gas combustive! (referente it vazao de combustive!), Nm3/kg.,
L8 Comprimento da rosca, m
Tilers V azao de carbo no solido no residuo, kg/h
rile Vazao de combustive! como sendo alimentado ao reator, kg/h
mrs Vazao de residuo solido, kg/h
n Velocidade da rosca do alimentador de combustive!, r. p.m. N Potencia do transportador de rosca sem-fim, kW
No Numero de orificios por borbulbador de ar
0" Teor de oxigenio no combustive!,% (base umida)
PCI8 Poder calorifico inferior do gas combustive!, MJ/Nm3
PCSt Poder calorifico superior do combustive!, MJ/kg., (base seca) PC!
ff
Poder calorifico inferior do combustive!, MJ/kg., (base umida) ilPt Queda de pressao do gas no leito de particulas solidas, PaLlP d Queda de pressao do gas no distribuidor, Pa
qgsc;ci Perda relativa de energia com a entalpia sensivel do gas (it t,), % qcarc;ci Perda relativa de energia como residuo solido (itt,),%
qcinc;ci Perda relativa de energia com a ental pia sensivel das cinzas (it t,), %
qmac;c~ Perda relativa de energia ao meio ambiente (it t,), %
Q. vgmax Potencia volumetrica maxima de saida do gaseificador, MW/m3
Qvbmax Capacidade volumetrica maxima do gaseificador, t/m3 .h Qr Massa da rosca por metro linear de comprimento, kg/m
Qg Massa do material contido no transportador por metro linear de rosca, kg/m R.c Relayao ar/combustivel, kg.,/k!5comb.
Rwc
Rela9iio gas combustive! produzido por quilograma de combustiveL kggi'kg.,.,.,b.R..r
Numero de Reynolds do sistema s61ido-fluido s Passo da rosca do alimentador de combustive!, m S" Teor de enxofre no combustive!,% (base umida) T m1 Temperatura media do leito, °CT fb Temperatura do gas no freeboard,
oc
TEG Taxa especifica de gaseificayiio, kg/m2h
v Velocidade linear do transportador (alirnentador), m/s
v, Velocidade terminal da particula ou do conjunto de particulas, m/s
Vn Velocidade tangencial do gas
a
entrada do ciclone, m/sv" Velocidade de transporte pneumatico, m/s v'll Velocidade superficial do gas de fluidizayiio, m/s vmr Velocidade superficial de minima fluidizayiio, m/s v"' Velocidade do gas atraves dos orificios, m/s
Var
Vaziio volumetrica dear, Nm3/hvarc
v
aziio volumetrica de ar corrigidaa
temperatura do leito, m3 /hVg
V aziio de gas combustive!, Nm3 /hVA Volume de ar estequiometrico, Nm3 /k~
LETRAS GREGAS
Ps Densidade do material solido do leito (alumina), kg!m3 p, Densidade do gas, kg/m3 (ou kg/Nm3 em condi96es normais)
pP Densidade das particulas s6lidas coletadas no ciclone, kg!m3
p Densidade do combustive!, kg!m3
e., Porosidade do material do leito na condi9iio de minima fluidizayiio e, Porosidade do material do leito na condi9iio de leito estacionitrio 11. Viscosidade dinfunica do gas, Pa. s
<II Esfericidade das particulas s6lidas do leito
'I' Coeficiente de eficiencia de carga da rosca de alimenta9iio 11 Eficiencia meciinica do sistema de transporte, %
J.lw Coeficiente de atrito do material sobre o duto do alimentador
1-1,. Coeficiente de atrito do material sobre as pas da rosca
Jl Coeficiente de atrito das polias no sistema de transmissiio
Jla Coeficiente considerado para transmissoes diretas
iNDICES INFERIORES (),.,c ar corrigido
(), combustive!
()=I carbono fixo no residuo solido
( )cicl ciclone
Or
a frio ()r estacionario ( fixo) ()fl, freeboard ()g gas ()min minima ()max maximaO.ru
media do leito()mr minima fluidiza9iio ()mg media do gaseificador ()q a quente (), reator ().,. residuo solido (),g superficial do gas ()t terminal ().,. transporte pneumatico INDICES SUPERIORES ( )" umido ( )' seco
1.
INTRODU(:AO
1.1. A biomassa como foote de energia no mundo
Pode-se definir a biomassa como todo material orgaruco renovavel produzido direta ou
indiretamente pelos vegetais (plantas em geral) atraves do processo de fotossintese
(CURVELO 1991 e CHEREMISINOFF et al., 1980). Sao considerados tambem como biomassa, o esterco e os residuos s6lidos domesticos, industriais e comerciais (fum).
Segundo o pesquisador finlandes MUTANEN (1993), anualmente se produz, pela
fotossintese, entre 5 e 8 vezes mais energia em forma de biomassa vegetal, que a energia comumente consumida pelo homem a partir de todas as outras fontes. Por outro !ado, segundo
JOHANSSON, et al. (1993) prevee-se que para o ano 2050 a produ9ao de energia eletrica a partir da biomassa sera de 4.000 TWh/ano, correspondente a quase a oitava (1/8) parte da produ9ao mundial de energia eletrica que sera de 32.000 TWh/ano.
A biomassa e a fonte de energia mais antiga e seu uso dominou quase totalrnente ate meados do seculo XIX. Desde entao, a participar,:ao da biomassa tern diminuido no suprimento de energia no mundo todo, como decorrencia do grande aumento na demanda total de energia a partir do carvao, gas natural, oleo combustive! e energia nuclear. A Figura 1.1 mostra o consumo de energia primitria no mundo a partir de varias fontes de energia. Pode-se observar,
contudo, que a biomassa representa cerca de 15% da energia total utilizada (MUTANEN,
1993). Por outro lado, segundo HALL (1991), atualmente a biomassa representa aproximadamente 14% da energia consumida no mundo, correspondente a 25 milhoes de barris equivalente de petr6leo (bEP) por dia, constituindo para os paises em desenvolvimento uma fonte energetica equivalente, em media, de 35% de seu consumo energetico total.
Mesmo em alguns paises desenvolvidos, a biomassa desempenha urn importante papel na produ9ao de energia total. Nos Estados Unidos, por exemplo, em 1991, os biocombustiveis
tiveram uma participar,:ao de 3,5% no total da energia produzida que foi de 89,15xl015 kJ
(2.200x!06 toneladas equivalente de petr6leo (tEP), ou 15.400x106 bEP), representando por
volta de 3,12x1015 kJ. A capacidade de gerar,:ao de energia eletrica a partir da biomassa cresceu
de cerca de 200 MWe em 1979 ate cerca de 6.000 a 8.000 MWe em 1992. Segundo urn trabalho publicado e promovido pelo "The Royal Institute of International Affairs" na
Inglaterra em 1994 (PATTERSON, 1994). 0 Departamento de Energia dos Estados Unidos
declarou que a capacidade instalada de energia eletrica vai aumentar ate 25.000 MW para o ano
2010. HALL (1991), reporta 4% de participa;;ao da biomassa no total de energia produzida
nos Estados Unidos (1,5xl06 bEP) e 14% de participa;;ao na Suecia.
!Jidniulica 6% mclear 4% 17% bimmssa !5% petroleo 34% carvi!o 24%
Figura 1.1 - Consumo de energia primliria no mundo a partir de vlirias fontes (MUTANEN, 1993)
Sao varias as razoes que tomam atrativa a utiliza;;iio da biomassa para fins energeticos.
Em geral as mais importantes sao:
1. biomassa constitui uma riqueza natural propria e renovave!, com elevada disponibi!idade
e relativa facilidade de uso;
2. Representa uma fonte renovavel e segura de energia niio
v m'""""'"'
diretamente as variao;:oesde pre;;os e suprimentos dos combustiveis llquidos importados;
3. 0 uso da biomassa como fonte de energia permite a paises em desenvolvimento diminuir suas importa;;oes de petr6!eo, contribuindo assim para melhorar significativamente o chamado "balanyo de pagamentos";
4. A biomassa
e,
do ponto de vista energetico, urn combustive! substancia!mente limpoquando comparada com os combustiveis f6sseis. A sua conversiio termoqulmica contribui
na melhora do balanyo de C02 e de 6xidos de nitrogenio e de enx:ofre na atmosfera.
Esta Ultima questiio constitui hoje uma das principais razoes que tomam crescente a
•
Banco Mundial para promover investimentos em areas vinculadas com o cuidado do meio ambiente, chamado de GEF (Global Environmental Facility) ratifica este futo.
Entre os principais tipos de biomassa geralmente considerados como possiveis fontes de energia, temos: residuos agricolas e florestais, madeira e residuos da madeira, residuos comerciais e domesticos e residuos de processos industriais.
0 baga90 de cana-de-ayucar constitui, apos a madeira (lenha), o tipo de biomassa com maior importiincia e potencial como combustive!.
0
grande desenvolvimento da agro-industria canavieira, na grande maioria dos paises produtores de ayucar de cana, propiciou urn incremento acelerado na produvao e no processamento industrial, de cerca de 1.1 04x I 06 toneladas de cana, no mundo (SILVA et al., 1994). No Brasil, esta quanti dade esta hoje em tomo de 250x106 a 270xl06 toneladas/ano-safra (para a safra de 1995-1996 a produvao prevista e de 254x106 toneladas), sendo considerado por isto o maior produtor de cana-de-avucar no mundo e, ocupando aproximadamente 25% da produvao mundial.Nas condivoes atuais das usinas, isto significaria produzir em tomo de 62,5x106 a 67,5x106 toneladas de bagayo de cana com 50% de umidade (base umida). Considerando que aproximadamente 5% desta quantidade e comercializada pelas usinas, representaria em tomo de 3xl06 a 3,4x106 toneladas de baga9o de cana excedente. Esta quantidade de baga90 excedente e, na sua grande maioria, comercializada como combustive! industrial (WALTER, 1994).
Por outro !ado, segundo CORTEZ et al. (1992), dos combustiveis disponiveis no mercado intemo Brasileiro, o baga9o de cana-de-a9ucar e aquele que apresenta o menor custo por Gigacalorias, quando comparado com outros energeticos disponiveis, como, por exemplo, a madeira e derivados do petroleo. Seu prevo chega a ser menos da metade da lenha, urn quinto do carvao vegetal, urn quarto do oleo combustive! e urn nono do GLP para a industria. Mas, com a decrescente oferta de lenha, mais notadamente no Estado de Sao Paulo, a politica de aproveitamento e a valorizavao energetica do baga9o de cana passara a ser uma realidade.
Outro dos sub-produtos da cana-de-ayucar que tern despertado interesse para o seu aproveitamento como energetico e que poderia ser utilizado visando este fim, e a palha de cana. No caso deste sub-produto, obtido no proprio campo como resultado da colheita da cana, na area agricola e considerado como urn adubo natural do proprio solo e, por isto, entre outras razoes, e deixado nele apos a colheita. No entanto, considerando que a quantidade de palha de
..
cana que fica no campo e muito grande, aproximadamente 50% deste sub-produto poderia ser aproveitado com fins energeticos.
As tecnologias de gaseifica<;ao elou pir6lise, principalmente em reatores de leito fludizado para instala<;oes de pequeno e medio porte, poderiam tornar possivel a valoriza<;iio destes sub-produtos.
Jit em instala<;oes de grande porte, uma possivel via de valoriza<;iio e de cria<;iio de novos mercados para o baga<;o de cana-de-a<;ucar e tornar viitvel, tecnica e econornicamente, a tecnologia alternativa de gaseifica<;iio em leito fluidizado com fins de cogera<;iio, os conhecidos sistemas BIG/GT-CC (Biomass Integrated Gasifiers/Gas Turbine-Combined Cycles).
1.2. Tecnologias alternativas para a converslio termoquimica da biomassa.
Segundo BRIDGWATER (1991 ), a gaseifica<;iio, a pir6lise e a liquefa<;iio constituem as principais tecnologias alternativas basicas para a conversao termoquirnica da biomassa estudadas hoje no mundo, e com muitas possibilidades futuras. Cada uma delas oferece uma faixa ampla de oportunidades de utiliza<;iio dos produtos obtidos, operando com diferentes configura<;oes de equipamentos e pariimetros de trabalho.
A gaseifica<;iio, definida como a conversiio da biomassa ou de qualquer combustive! solido, em urn gas combustive!, atraves da oxida<;iio parcial a temperaturas elevadas, constitui uma excelente tecnologia de conversao termoquirnica para a biomassa, atendendo
a
possibilidade de utiliza<;iio dos gases obtidos, como combustive!, e assegurar seu aproveitamento energetico em instala<;oes que disponham de fornos (para a gera<;iio direta de calor), motores de combustao interna e turbinas a gas (para a gera<;iio de potencia meciinica e energia eletrica) etc. 0 gas combustive! obtido, em termos gerais, deve ser urn gas livre de alcatrao e particulados s6lidos.As etapas que descrevem o processo de gaseifica<;iio podem ser explicadas atraves da Figura 1.2. Na primeira etapa urn processo endoterrnico, atraves do qual, o combustive! e termoquirnicamente convertido em gas de baixo ou medio poder calorifico. Neste processo, chamado de pir6lise, sao obtidos componentes volitteis a temperaturas inferiores a 6QOOC atraves de complexas rea<;oes. Os vohiteis incluem hidrocarbonetos, hidrogenio, mon6xido de carbono, di6xido de carbono, alcatrao e vapor de agua. No caso da biomassa, que tern alto teor
..
de vohiteis (70-86%, base seca), este processo de pir61ise desempenha urn papel muito importante dentro do processo de gaseificayao. A segunda etapa corresponde a conversiio do carbono fixo (char) atraves de urn processo de gaseificayao e/ou combustao. Nesta reayao, uma determinada parte do carbono e queimada, provendo a energia necessaria para a pir6lise e para a gaseificacao do carbono remanescente. Este processo de conversiio pode ser realizado em varios tipos de reatores: de Ieito fixo contracorrente, de Ieito fixo concorrente e de leito frwdi.iado SaO OS mais comumente utilizados.
No processo de gaseificayao sao empregadas temperaturas elevadas, na faixa de 800 a I 000 oc quando se utiliza ar como agente de gaseificacao e na faixa de I 000 - 1400°C quando se utiliza oxigenio puro. A tecnologia de gaseificayao com ar e mais simples e frequentemente a mais utilizada, devido ao alto custo dos outros agentes de gaseificayao e problemas de seguranca das instalay6es, embora o custo de produyao do oxigenio tem-se reduzido. No caso da gaseificayao com ar e produzido urn gas combustive! de baixo poder calorifico, geralmente
de 4 a 7 MJ/Nm3, composto de urn 60% de nitrogenio (%em volume) aproximadamente.
Combustive!
SoHclo
Vapor e
PIROUSE gMes combnstiveis
Carbono e cinzas Carbo no CONVERSAO DECARBONO Carbo no
T
e cinzas COMBUSTAO CalorI
Vapore•
•Ciclos cle potencla
susos
e ontro
gases combusti veis
Cinz ase
gases de saida
•
•
..
A tecnologia de gaseifi~o utilizando oxigenio como agente de gaseifica~ao pennite
obter urn gas combustive! de maior qualidade quanto ao poder calorifico e conteudo de
alcatrao. Neste caso o poder calorifico do gas encontra-se na faixa de 10-15 MJ/Nm3
As razoes praticas para se decidir pela gaseifica~ao de biomassa sao numerosas e
dependem muito das condi~oes locais. A gaseifica~o de biomassa pode reduzir a dependencia
de regioes e paises as flutu~oes nos pre9os dos combustiveis importados, alem de considerar
as vantagens que apresentam os combustiveis gasosos, em geral, sobre os solidos, entre as
quais destacam-se: facilidade de distribui9ao, alta eficiencia da combustao devido a
possibilidade de ser controlada, queima com baixa emissiio de poluentes e possibilidade da utiliza9ao em motores de combustao interna e turbinas a gas para produzir trabalho mecanico e
energia eletrica (SANCHEZ, 1994).
Dadas estas condi9oes, pode-se considerar entao a gaseifica9iio da biomassa como uma tecnologia alternativa de conversao altamente interessante, promissora e viavel, sobretudo num pais com caracteristicas economicas e geograficas ideals como o Brasil.
Todos os produtos obtidos a partir desta tecnologia podem ser aproveitados diretamente ou, atraves de diversos processos de conversao, obter-se outros produtos secundanos.
Em instala96es de pequeno porte resulta mais economico e competitivo a produ~ao de
energia eletrica a partir da utiliza~o de bio-oleos (combustive! liquido obtido a partir da
pirolise), queimando-os em motores de combustao intema. Ja em instal~oes de grande porte a
gaseifica9ao se apresenta mais promissora para a produ~ao de energia eletrica .
1.3. A tecnologia de gaseifica~io de baga~o de cana-de-a~iicar em leito fluidizado
0 uso dos sub-produtos da agro-industria sucro-alcooleira no Brasil e no mundo,
especificamente o bag~o de cana, vern sendo avaliada dentro de urn contexto maior que aquele
em que se considera a sua utiliza9ao como combustive! primario nas caldeiras das usinas de
ayucar e atcool para a gera~ao de energia.
Segundo WALTER ( 1994) uma possivel altemativa de diversifica9iio da uti!izayao do
bagayo de cana-de-a~ucar, e a produ~ao de eletricidade em larga escala atraves da realizayao de
•
"
novos sistemas propostos. Nesta segunda questao, a tendencia na gera~ao de eletricidade deve ser definitivamente direcionada no desenvolvirnento de duas tecnologias: o uso de turbinas de vapor de extra~ao-condensa~ao e dos sistemas BIG/GT-CC.
A tecnologia BIG/GT-CC, concebida para a produ~ao de potencia eletrica em larga escala, permitiria a gera~ao de energia eletrica dentro e fora do periodo de safra. Na Tabela 1.1 sao oferecidos dados de produo;:ao de potencia e!etrica e de demanda de vapor referidos a usinas tipicas de ao;:ticar e destilarias de alcool segundo diferentes sistemas de cogerao;:ao. No caso dos sistemas BIG/GT-CC aparecem dois tipos de configurao;:Oes.
Segundo estes dados, os ciclos combinados integrados aos sistemas de gaseificao;:ao de biomassa oferecem maiores indices de produo;:ao de energia eletrica por tonelada de cana processada, alem de apresentarem maiores eficiencias globais quando comparados com os sistemas convencionais.
Tabela 1.1 - Produ~lio de energia eletrica e demanda de vapor para uma usina tipica de
a~iicar ou destilaria de alcool segundo diferentes variantes de cogera~lio (OGDEN et al.,
Neste caso os gaseificadores que apresentam maior viabilidade comercial sao os de leito fixo e leito fluidizado, embora os esfor~os no desenvolvimento tecnol6gico estao voltados para o uso do segundo tipo, devido a sua maior flexibilidade quanto as caracteristicas da biomassa e maior capacidade com rela~ao aos de leito fixo.
A procura de sistemas de gaseificao;:ao em leito fluidizado para bagao;:o de cana-de-ao;:ticar "in natura", capazes de operar de forma estavel, continua e com regimes de carga variavel, constitui uma tarefa importante na atualidade. 0 futuro e ainda mais promissor considerando a sua aplica~ao em instalao;:oes BIG/GT-CC para a produo;:ao de energia eletrica.
Os trabalhos de pesquisa nesta direo;:ao visam, principalmente, a obten;;ao de urn prot6tipo de reator com sistema de alimenta;;ao de bagao;:o de cana simples, eficiente e que garanta a quantidade requerida de combustive! para diferentes condio;:oes de opera~ao.
..
..
Nenhuma soluvao definitiva tern sido publicada com relavao ao problema do trabalho compativel reator-sistema de alimentavao de bagavo de cana "in natura", principalmente para sistemas de medio e grande porte. Nao ha resultados praticos ainda, essencialmente pelas grandes dificuldades que se apresentam na alimentavao deste combustivel.
No Brasil, o Instituto de Pesquisas Tecnologicas do Estado de Sao Paulo (IPT) tern realizado estudos num gaseificador de leito fluidizado em escala de planta piloto utilizando pellets de bagavo de cana. Na Figura 1.3 aparece urn esquema da instalavao de gaseificavao. Alguns dados de operavao e de projeto sao os seguintes (SOUZA-SANTOS, 1987):
• Teor de umidade do combustive!- 9,28% (b.u.); • Densidade aparente do combustive!- 420 kg/m3;
• V azao massica de combustive! - 181 kglh; • Material inerte do Jeito - areia;
• Densidade aparente da particula de material inerte- 2.300 kg/m3;
• Vazao massica e volumetrica do agente de gaseificavao (ar)- 248 kglh (192 Nm3/h); • Temperatura do combustive} entrando no leito - 30°C;
• Temperatura do ar entrando no leito- 60°C;
• Valor medio da pressao absoluta de operavao do leito - I 02,3 .I 03 Pa; • Diametro interior do reator na secvao do leito - 480 mm;
• Diametro interior do reator na secvao do freeboard - 480 mm; • Altura desde a base do leito ate o topo do freeboard - 2.400 mm;
• Espessura da camada de refratario na secvao do leito e do freeboard - 145 mm; • Placa de distribuivao de ar tipo bicos de ar;
• Diametro dos orificios dos bicos - 3 mm; • Numero de orificios na placa- 300
..
..
Chama
TorTe empacotada
Recin:ula~ao de gas para o sistema de alimenta~iio
To.,. empar:o-tada Agua Totn! de reslHa-mento ReservatOrio de ti.goa Partlculado solido Vapor de agna Combustive! i~ Silo de · • alimen-~~·-~··~: ta-;io Ruscade alimenta~io Ar Caldeira Compressor/ ventilador
Figura 1.3 - Esquema da uuidade de gaseifica~iio em escala de planta piloto do IPT-Sao Paulo
1.4. Motiva~iio
A gaseifica<;iio constitui urn processo termoquimico de conversiio energetica dos combustiveis s6lidos, sendo considerada ate hoje, como urn processo alternativo de conversiio.
A partir da decada de 70 muitos programas de pesquisa foram implantados visando o desenvolvimento da tecnologia de gaseifica<;iio, como conseqiiencia da primeira grande crise de petr6leo. A tendencia ao uso mais geral e eficiente de combustiveis da biomassa, como, madeira e residuos da madeira, baga<;o de cana-de-a<;ucar e outros sub-produtos agro-industriais, tornou-se uma realidade.
A grande importiincia da gaseifica<;iio com rela<;iio its outras tecnologias de conversiio termoquimica da biomassa e a sua utiliza<;iio para a produ<;iio de energia eletrica ern grande escala atraves dos sistemas BIG/GT -CC. Os dados oferecidos por ELLIOT e BOOTH
(1993) indicam que o uso deste tipo de tecnologia permite reduzir o custo do kWh desde val ores de aproximadamente 0,080 US$, com a utiliza<;iio da tecnologia convencional ( ciclo Rankine), ate urn valor estimado de 0,038 US$ utilizando sistemas BIG/GT-CC de segunda
•
..
gera~ao (com turbinas a gas mais eficientes, de ate 43%). Isto faz a energia obtida a partir da
biomassa competitiva com rela~ao a obtida a partir do combustive! fossil.
Para a conversao energetica via gaseifica~ao destes combustiveis s61idos a maioria dos
programas de pesquisa tem-se direcionados no uso de reatores de lei to fluidizado. As vantagens
sao
evidentes, sendo esta tecnologia a (mica que permite uma grande flexibilidade no uso debiocombustiveis de caracteristicas fisico-quimicas diversas ( densidade, tamanho de particulas,
umidade etc.), alem de outras vantagens. Em instala~oes de grande porte visando a cogera~ao
de energia (tecnologia BIG/GT-CC), todos os reatores usados sao de leito fluidizado (I' e 2•
gera~ao).
Considera~oes feitas por SANCHEZ (1994), demonstram que a necessidade de se
procurar urn projeto de uma instala~ao de gaseifica~ao, visando a obten~ao de urn gas de
qualidade com alta confiabilidade e seguran~a, adaptada as condi~oes particulares do
combustive! e de opera~ao, constitui urn dos maiores problemas no desenvolvimento da
tecnologia de gaseifica~ao. Dois fatores sao considerados relevantes neste caso, eles sao : tipo
de biomassa a ser processada e uso final do gas combustive! (qualidade do gas). Segundo dados reportados para diferentes tipos de gaseificadores para biomassa (requerirnentos do
combustive! e parametros medios de opera~ao ), pode-se dizer que o gaseificador em leito
fluidizado e o unico que praticamente permite trabalhar com combustiveis com tamanho de
particulas na faixa de I-1 0 mm, presentes comumente na biomassa polidispersa, como por
exemplo, o baga~o de cana-de-a~ucar ..
Os trabalhos desenvolvidos na area de gaseifica~ao de biomassa tern sido encaminhados
fundamentalmente, nas seguintes dire~oes:
I. Obten~ao de potencia mecanica e energia eletrica em sistemas de pequeno porte atraves do uso de motores de combustao intema;
2. Substitui~ao de combustiveis liquidos e gasosos em alguns processos industriais, por
exemplo, industria de ceriimica fina de revestimento;
3. Produ~ao de gas de sintese que constitui materia-prima para processos quimicos e
produ~ao de metanol, e
4. Gera~ao de energia eletrica em grande escala atraves do uso de sistemas BIG/GT-CC.
Considerando estas aplica~oes, a bibliografia reporta o uso de biomassa polidispersa
•
•
..
gaseificadores do tipo de topo aberto (na India) para sistemas de pequeno porte (SANCHEZ,
et al.,1994) e gaseificadores de leito fluidizado para sistemas de pequeno, medio e grande porte, principalmente para a prodw;:ao de potencia meciinica e energia eletrica atraves de
motores de combustao interna (CLARK e GOODMAN 1985), substitui9iio de combustiveis
liquidos e gasosos (OMNIFUEL SYSTEM) e para a produ9iio de eletricidade em grande
escala atraves de sistemas BIG/GT-CC. Neste ultimo caso, o projeto leva em considera9iio a
utiliza9iio de gaseificadores atmosfericos ou pressurizados. Segundo (BLACKADDER et al.,
1992), recorre-se
a
gaseifica9iio pressurizada, principalmente para a gera9iio de potencia em ciclos combinados, devido ao fato de que a vantagem na diminui9iio das dimensoes do reator por causa de trabalhar a altas pressoes, so aparece para capacidades acima de 150 MW, alem de que estes sistemas apresentam serios problemas com a alimenta9iio do combustive! e outros. Para baixas e medias capacidades a utiliza9iio de gaseificadores atmosfericos que utilizam sistemas de alimentayiio do combustive! mais simples, e tecnicamente mais vantajoso .Muitos residuos agroindustriais de carater polidisperso, tais como: baga9o e palha de cana-de-a9ucar, casca de arroz, casca de cafe etc., sao dificeis de gaseificar atraves de processos equivalentes em leitos moventes (metodos tradicionais), tanto contracorrente como concorrente, devido a problemas relacionados com as suas caracteristicas fisico-quimicas e granulometricas. Portanto, a gaseificayao em leito fluidizado se apresenta bastante promissora, sendo considerada uma op9iio viavel tecnicamente para a conversao energetica destes residuos.
No entanto o principal interesse pela gaseifica9iio do bagayo de cana-de-a9ucar surge,
na realidade, como consequencia do estudo e desenvolvimento dos sistemas BIG/GT-CC para
a produ9iio de energia eletrica em grande escala, havendo, portanto, poucos trabalhos desenvolvidos e limitadas publicayoes na area de gaseifica9iio de baga9o de cana-de-a9ucar em
reatores de leito fluidizado. SILVA e SANCHEZ (1994), atribuem diversas causas a este fato:
1. Facilidade de produ9iio de vapor e eletricidade a partir de sistemas convencionais com
caldeiras e turbinas de vapor para garantir as necessidades das proprias usinas de a9ucar; 2. Ser caro o transporte do bagayo a distiincia sem previa compacta9iio, devido a sua baixa
densidade. Isso limita seu possivel uso por outros setores para aplica9oes de baixa potencia; 3. Dificuldades na sua gaseifica9iio em sistemas tradicionais devido a seu carater polidisperso
•
Para configurar de maneira viavel a altemativa da gaseificayiio do baga9o de cana-de-ayucar e outras biomassas de carater polidisperso em reatores de leito fluidizado, visando o desenvolvimento de equipamentos industriais de alta eficiencia e operando de forma confiavel e segura em plantas de cogera9iio atraves de sistemas BIG/GT-CC, alem de outras possibilidades de aplicayao de menor escala, e preciso ainda aprofundar-se no estudo e desenvolvimento desta tecnologia quando trabalhar com estes tipos de biomassas, atraves da avalia9iio de instala.yoes pilotos e a realiza.yiio de testes de laborat6rio.
Este trabalho pretende oferecer as principais experiencias adquiridas durante a elabora.yiio do projeto, constru.yiio do prot6tipo, montagem e realiza.yiio dos ensaios experimentais preliminares, em uma instala.yiio de gaseifica9iio com reator em leito fluidizado em escala experimental de planta piloto. 0 baga.yo de cana-de-a.yucar constituiu a principal fonte de materia-prima.
Os resultados obtidos neste trabalho, embora sejam preliminares e niio conclusivos para este equipamento, podem ser uteis em termos de suporte e consulta para novos estudos, calculos de projeto e futuras pesquisas .
II
..
2.
OBJETIVOS
Este trabalho de tese tern como objetivo apresentar o estudo preliminar da avaliagiio do funcionamento de uma instalagiio de gaseificagiio em leito fluidizado em escala de planta piloto. Nesse sentido, foi realizado o projeto da instalagiio de gaseificagiio, o calculo dos principais parfunetros de operagiio do reator e o balango energetico do gaseificador. Trabalhou-se com pellets de bagar;o de cana-de-ar;ucar como fonte de materia-prima.
Os objetivos especificos da tese sao:
1. Projeto, construr;iio e montagem do sistema de gaseificar;iio em leito fluidizado em escala de planta piloto;
2. Apresentar;iio dos resultados obtidos a partir da realizar;iio dos testes preliminares de operac;:iio do reator, visando avaliar o seu comportamento energetico e o desempenho dos principais componentes que integram o sistema de gaseificac;:iio;
3. V erificar e interatuar com alguns dos principais problemas que se apresentam durante a operar;iio do equipamento;
•
•
3.
REVISA.O BIBLIOGRAFICA
3.1. A biomassa vegetal no Brasil. Papel dos sub-produtos da industria canavieira (baga~o e palba da cana-de-a~ucar)
Atualmente estiio sendo definidas em muitos paises europeus e nos Estados Unidos
diversas politicas de apoio e fomento ao uso de energeticos de origem vegetal (TETTI, 1995).
0
interesse de muitas empresas e trabalbar pela obten~o de combustiveis limpos e renovaveis,praticamente todos derivados da biornassa.
0 Brasil reune condiyoes agricolas e economicas ideais para desenvolver e se beneficiar das tecnologias de utilizayiio da biornassa para fins energeticos. Pelas suas caracteristicas geograficas e clima tropical tern uma posiyiio privilegiada no mundo quanto a produyiio de biomassa em grande escala .
Segundo o Ministerio das Minas e Energia (1995), no Brasil a biomassa representa
cerca de 24,4% do consumo total de energia do pais, o que representa 48,6 milhoes de toneladas equivalentes de petroleo (tEP). Desta frayiio, a lenha que representou 26,0% do consumo total de energia do pais em 1977, hoje representa 12, I% ( dezembro de 1994 ), enquanto que os produtos da cana-de-ayucar e outras fontes primarias renovaveis, que representavam apenas 5,5% e 0,4% respectivamente, em 1977, hoje representam 10,7% e 1,6% respectivamente do consumo total de energia (dezembro de 1994). A Figura 3.1 mostra o consumo total de fontes primarias de energia no Brasil. Observa-se como a participayiio da lenha apresenta uma tendencia de decrescimo ao contrario dos subprodutos da cana-de-ayucar e outras fontes primarias renovaveis, cuja tendencia de participayiio incrementou-se.
Segundo estimativas feitas pela Associayiio das Industrias de Ayucar e Alcool do
Estado de Siio Paulo (AIAA) no JORNALCANA (dezembro de 1995), a produyiio de cana de
ayucar prevista para a safra de 1995/96 na regiiio Centro-Sui e comparadas com os resultados da safra de 1994/95 siio oferecidos na Tabela 3 .I.
Considerando que o bagayo de cana-de-ayucar representa por volta de 25% da massa da cana verde, para uma produyiio de cana referente a safra do ano de 1995/96, de 254 rnilhOes de toneladas, o bagayo obtido (com umidade em tomo de 50%, base umida) seria de 63,5 milh5es de toneladas.
•
..
•
Outras Produtos da cana Lenha Hidraulica Petr6leoFigura 3.1- Consumo total de fontes primarias de energia no Brasil,% Fonte: Balanl!o Energetico Nacional, 1995 (ano base 1994)
Centro-Sui
Atualmente, o baga90 de cana e praticamente todo utilizado como fonte de energia nas pr6prias usinas de ayucar e destilarias de alcool, gerando vapor de agua para 0 processo e para a produ9ao de energia eletrica. No entanto, seu uso como combustive! em outras industrias, ou mesmo o incentivo para outras aplicayoes e, fundamentalmente, para a cogera9ao de energia eletrica, poderia melhorar o estado de valorizayao atual deste sub-produto e o balan9o energetico e economico da agroindustria canavieira. Isto poderia resultar em grandes excedentes de baga90 para a sua comercializayao. Os excedentes de baga90 de cana no Estado de Sao Paulo representam hoje cerca de 5% da produ9ao nacional .
•
•
•
0 baga9o de cana que hoje se comercializa no Brasil e utilizado como combustive! por industrias vizinhas as usinas de a9licar. Segundo WALTER, (1994), o mercado de baga9o de cana como combustive! esta mais consolidado em algumas regioes do Estado de Sao Paulo, sendo que as perspectivas de incremento desse mercado sao limitadas em fun9ao de fatores como o custo do transporte, sazonalidade da oferta etc. Porem, as quantidades excedentes e comercializadas poderiam ser aumentadas com o melhoramento das condi96es tecno16gicas das usinas e destilarias ou valorizando este sub-produto atraves de sua aplicabilidade em outros processos.
Mesmo considerando todos os fatores negativos mencionados, a politica atual de aproveitamento energetico dos sub-produtos da agroindustria canavieira no Brasil torna-se mais real se levarmos em conta o aumento crescente do pre90 da lenha no mercado, alem das vantagens produzidas do ponto de vista ambiental e social, em termos de compara9ao com outros combustiveis, quando estes sao transformados energeticamente .
Sao dois os fatores mais ponderativos no crescimento da valoriza9ao futura do baga9o e demais sub-produtos da industria sucroalcooleira, sendo eles:
I. 0 possivel reajuste na politica de pre9os da energia eletrica excedente produzida pelas usinas de a9licar e alcool, a partir da inten9ao do Governo Federal em privatizar os servi9os de gera9ao de energia eletrica. Isto logicamente, pode tomar viitvel economicamente a atividade de prodw;ao de energia eletrica na agroindustria sucroalcooleira a partir do uso em maior escala destes subprodutos e de novas tecnologias;
2. A grande disponibilidade e potencial energetico que representa a quantidade de palha de cana-de-a9licar que fica no campo ap6s a colheita. Segundo estimativas, essa quantidade representa hoje mais de 1,5 vezes o baga9o excedente. Isto, sem considerar os trabalhos que estao sendo desenvolvidos, visando viabilizar a curto prazo a colheita de cana crua ( cana sem queimar), o que incrementaria a produ9ao de palha, com disponibilidade imediata de uso. Recentemente, no municipio de Ribeirao Preto, SP, produtores de cana, ecologistas etc., discutiram a questao da queimada de cana-de-a9licar. 0 resultado desta reuniao foi a proibi9ao das queimadas no municipio e a determina9ao da mecaniza9ao total da colheita de cana num prazo determinado.
Atualmente existem perspectivas de desenvolvimento de algumas configura96es de instala96es pr6prias para usinas e destilarias de alcool, com eficiencias na ordem de mais de 2
•
•
vezes a do ciclo convencional, com indice de gera9iio de eletricidade na faixa de 200 a 300 kWh/ton. de cana, baixos custos unitarios de capital, alem de reportarem beneficios ambientais.
3.2. A tecnologia de gaseifica.,:ao como alternativa de conversao
0 petroleo, como fonte de energia relativamente barata, eficiente e de facil utiliza9iio, inibiu durante muito tempo o desenvolvirnento de tecnologias alternativas para a obten9iio de outras fontes de energia a partir de biomassa. Na Figura 3.2 sao apresentados os diferentes processos tecnologicos alternativos para se realizar a conversiio termoquirnica do combustive! solido, que sao: gaseifica9iio, pirolise e liquefa9iio, alem dos respectivos produtos prirnarios e secundarios obtidos e, seus usos.
Entre as tecnologias apresentadas, a gaseifica9iio, ao transformar o combustive! solido em gas tambem combustive!, amplia consideravelrnente o seu campo de aplica96es e consequenternente, o seu potencial de substitui9iio de derivados do petroleo, alem de ter melhores caracteristicas de transporte, melhor eficiencia de conversiio energetica e que pode ser utilizado como materia prima de outros processos (TERMOQUIP ENERGIA ALTERNATIVA LTDA.)
Em aplica96es industriais, a gaseifica9iio apresenta diversas vantagens ern rela9iio a queima direta ou cornbustiio (SANCHEZ et al., 1994 e TERMOQUIP ENERGIA ALTERNATIVA LTDA.), entre elas temos:
I. 0 combustive! gasoso pode ser convenientemente distribuido por tubula9iio;
2. Pouca ou nenhuma modificayiio e necessaria nas camaras de combustiio quando urn combustivelliquido ou gasoso derivado de petroleo e substituido;
3. Obtem-se uma chama de alta temperatura, estavel e limpa, sem necessidade de equipamentos anti-poluiyiio apos a queirna;
4. 0 gas de gaseifica9iio pode ser utilizado em varios tipos de fornos e aquecedores industrials, nos locais onde lirnita96es de espa9o ou do processo impedem a instala9iio de fornalhas;
5. A eficiencia global da gaseificayiio/combustiio do gas pode, em alguns casos, ser superior it
•
•
reduzida pelo grande excesso de ar necessario para obter uma queima total (OMNIFUEL SYSTEM);
6. Ao substituir derivados de petroleo, o gas elimina os problemas de corrosao, poluiviio e contaminayao do produto causados pelo enxofre e particulas solidas de carbono livre, e 7. A gerayao de eletricidade em diversas escalas pode ser realizada sem a necessidade de urn
ciclo de vapor (ciclo de Rankine), ocorrendo simplesmente pela queima do gas num motor de combustao intema (pequena escala), ou em uma turbina a gas (mediae grande escala).
Segundo alguns autores (in: ASSUMP(:AO, 1981) os sistemas compostos de gaseificayao-combustao podem possuir ainda certas vantagens sobre o sistema de combustao direta, pois, geralmente, a conversao do carbono solido residual e maior, a fomalha trabalha com urn combustive! mais limpo e os pirolenhosos e alcatroes produzidos durante a gaseificavao podem ser transformados na propria fomalha.
Porem, a gaseificavao possui algumas desvantagens tecnicas que devem ser levadas em considera<yao, entre elas temos:
• A tecnologia e mais complicada que a queima direta e deve-se ter especial aten<yao com os aspectos de seguranya, uma vez que os gases produzidos sao toxicos. Em geral a maioria dos problemas ocorrem no manuseio do combustive!, no sistema de alimenta<yao e na limpeza dos gases. Do ponto de vista operacional, em instala<yoes de gaseifica<yao trabalha-se com operayoes complexas (SANCHEZ et al., 1994).
Pode-se dizer entao que considerando fatores como: preyo, reservas, tecnologias e impactos ambientais e sociais, de importancia fundamental no setor energetico nacional, a tecnologia de gaseifica<yao de biomassa pode nao so ser viavel tecnica e economicamente, mas tambem tomar mais interessante a utilizavao de combustiveis renovaveis (biomassa vegetal), contribuindo para uma condiyao de melhor aproveitamento do potencial renovavel existente em paises como Brasil.
•
Blomam
._
l'ROIII1lOS f'ROCESSOllJ)[ PROOOro:l PROaSSOSD£ l'RODI1fO
ums tiWlOJWE'ITO ums lilil.BORAIIlll vm
PII:IM.Wos t'l'RAI'iSJ'OlUICAo sro:rmAmos t~o c~
, - - -
...
""""
._
~ill {Jiurry) - - CombWtinlliquidoI
r -
Hidr~iP ~ "'Syncrude" ---t ~ ~ Gtsollna.Diml,---1[ Plrill!Je 1-f----.----... Liquido ---+ Zeolita - IDdnxu- _.... Rrf!no __r--- -Fm:loil .etc.
""""'
r - ---+ L~ ~ - _______. - ...--- Gis combustiwl
Gis cmnbwtiftt ---+ Mnlnr C1- - Pottnda ______, - ...--. Eletrkldade
1.-r---t d!b:tixl!poder ---+ Turblnaagls --+Poti!ll:i8 __.... - ~ Eletricldadt calnrifko ---+ Cl:mrnio - M!tmnl - - - + RefiiW - Mrtmol
--
---+li.mpm ~ - ___... - - GU comburtinl---+MntorC.l-Potm:ia----+ - ____. Eletrlddade
~ 'l'urbinaagU ---t Potm:ia ______, - - Elmtddade Cis clllllbwtinl ---+ Cl!rmrliD - - + Mttmol _____, Refinu - Mrlmol
de med!npudtr _ Carm!nill - -Akool comb. - + RdiDO - - + Alcon! Cflllllltnt.lnl
t:~loriDco
---+ C!lllftnio ~ Mttanol --.--.-..-... Convenio----+ Gaso!lna - Cnnn!rHo -""Sync rude" ---+ Rffino - Gasoli.na, Dirnl etc.
-
- Collt'!nln ~ Hidruginio ... - ____. HidrngmioAriOxlgtnio
~ Gcrificl\"ill
fi-t-1---+
Gi! combust!vtl Vtpar de igUaFigura 3.2 - Tecuologias alteruativas para a conversiio energetica dos combustiveis solidos
3.2.1. Principais op~iies de reatores para sistemas de gaseifica~iio
0 tipo mais antigo e mais difundido de gaseificador que se conhece e o gaseificador de leito fixo, tambem chamado de leito move!, uma vez que o mesmo tern movimento descendente Iento. Na verdade, todos os gaseificadores deste tipo devem ser chamados de leito move!.
Por volta do inicio da Primeira Guerra Mundial gaseificava-se principalmente carvao e turfa (SANCHEZ et al., 1994). A tecnologia da gaseificavao teve pouca evoluvao ate o
I
•
estagio de desenvolvimento atingido no final da Segunda Guerra Mundial devido ao aumento
de pre~os de combustiveis f6sseis. Nesta ocasiao, o carvao vegetal e a madeira (lenha)
come~aram a ser os tinicos combustiveis utilizados comercialmente.
Ate hoje, a madeira (lenha) apresenta-se como materia-prima ideal para gaseifica~ao.
Quando processada em equipamento especifico, cujo projeto leva em conta as suas caracteristicas fisico-quimicas e gaseificada com ar, produz gas combustive! com poder calorifico inferior entre 3.350-6.699 kJ/Nm3 e com eficiencias energeticas de aproximadamente 90% (TERMOQUIP ENERGIA ALTERNATIVA LIMIT ADA).
Os reatores mais utilizados ate hoje para se realizar o processo de gaseifica.;:ao podem ser divididos em dois grupos:
3.2.1.1. Reatores de leito tixo (reatores tradicionais)
Os gaseificadores com reatores de leito fixo podem ser classificados, no fundamental, em dois tipos: o gaseificador contracorrente e o gaseificador concorrente.
Principais caracteristicas:
I. Podem ser atmosfericos ou pressurizados (ate 3 MPa);
2. Sao sistemas simples e eficientes trabalhando com combustiveis de alta densidade e granulometria nao-fina (10-100 mm), por exemplo, cavacos de madeira, carvao e residuos de biomassa densificados. Sua eficiencia energetica pode variar na faixa de 60-90 %;
3. Tern uma baixa potencia volumetrica, kJ/m3-s;
4. Geralmente sao utilizados para gaseificar madeira e carvao.
Na Figura 3.3 (a) mostra-se o gaseificador de leito fixo mais simples, o contracorrente . Este tipo de gaseificador tern a vantagem de pre-aquecer a carga de combustive! que desce ao reator pelo gas ascendente, garantindo condi.;:oes para a obten.;:ao de uma elevada eficiencia termica e urn gas com poder calorifico inferior da ordem de 6,28 MJ/Nm3
Os gases produzidos neste gaseificador arrastam uma grande quantidade de particulados so lidos, alcatroes e outros produtos da pir6lise, uma vez que o gas gerado nao passa pela zona de combustao e o alcatrao nao e craqueado. Isto inibe a utiliza.;:ao direta do gas em motores de combustao interna, sendo limitada s6 para sistemas onde estes sao queimados. A temperatura de saida dos gases do gaseificador encontra-se na faixa de 250°C e 400°C, variando em fun.;:ao
