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GASEIFICAÇÃO DA BIOMASSA Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro Dept. Engenharia Mecânica da UFMG Abril 2012 Rotas Primárias de Conversão Combustão, pirolise, e gaseificação são os tipos primários de processos de conversão térmica Combustão é definida como: • Conversão térmica da matéria orgânica com um oxidante (normalmente oxigênio) para produzir principalmente CO2 e água. • O oxidante é em excesso estequiométrico, ie, oxidação completa. Pirolise é definida como: • Conversão térmica (destruição) dos orgânicos na ausência do ar • Muitas vezes se refere ao processo térmico a baixa temperatura, produzindo líquidos como principal produto • Possibilidade de subprodutos químicos e alimentícios Gaseificação é definida como: • Conversão térmica de materiais orgânicos a temperaturas elevadas e condições redutoras, para produzir gases, com char, água e condensáveis como produtos secundários • Categorias básicas: oxidação parcial e aquecimento indireto (gaseificação a vapor) Combustão, Pirólise, Gaseificação Histórico Murdoch (1792) - Destilação do carvão London gas lights - 1802 Blau gas – Fontana - 1780 1900 Colonial power MeOH 1913 BASF Fischer Tropsch 1920 WWII - Veículos a Gasogênio SASOL 1955 - Presente GTL 1995 – Presente Hidrogênio – Futuro? Circa 1898 • A gaseificação pode utilizar uma grande gama de produtos, desde resíduos de florestas ou agrícolas até grãos, sem modificação significativa no processo. Um sistema pode ser projetado para utilizar vários tipo de produtos. • A gaseificação é aplicável em uma grande faixa de tamanhos, de fazendas, vilarejos, pequenas indústrias até uma escala industrial. • A eficiência térmica do processo de gaseificação pode ser alta: • CHP – até 90% • Processo de combustível de 1a geração – até 60% • Processos de síntese de combustíveis e químicos a partir do syngas já são comerciais. • O CHP baseado na gaseificação pode maximizar o caracter renovável de um projeto existente ou proposto de etanol. Gaseificação da Biomassa Combustíveis e químicos são os principais produtos. Novos tipos de produtos (óleos oxigenados) necessitam de um desenvolvimento de mercado O Processo de Gaseificação Oxidação parcial a alta Temperatura e α < 1 1. Pirólise (600 ºC) Calor, coque, gases e alcatrão 2. Oxidação (1200 ºC)C + ½ O2 = CO C+ O2 = CO2 3. Gaseificação CO2 + C = 2CO H2O + C = CO + H2 2H2 + C = CH4 4. Craqueamento do alcatrão: Alc. + vapor + calor = CO + CO2 + CH2 5. Oxidação parcial dos produtos da pirólise (CO+H2+CH4) + O2 = CO2 + H2 O Processo de Gaseificação • O processo de pirolise ocorre quanto a partícula carbonosa é aquecida. Os voláteis são liberados e o char (carvão ou coque) produzido. • O processo de combustão ocorre com a reação dos produtos voláteis e algum char reagem com o oxigênio, formando CO2 e CO, que produzem calor para as reações de gaseificação posteriores. A pirólise e a combustão são muito rápidas. • O processo de gaseificação ocorre quando o char reage com o CO2 e vapor para produzir CO e H2. O gás resultante é chamado syngas e pode ser convertido em energia elétrica de uma forma mais eficiente que a combustão direta da biomassa. O Processo de Gaseificação Reações Primárias, Secundárias e Terciárias Gaseificação Nos projetos de cogeração em que se utilize gasificação, o recomendavel é desenvolver a maior cantidade de sinergias entre os negócios. Rotas de Gaseificação Tipos de Gaseificadores Tipos de Gaseificadores Tipos de Gaseificadores Gasifier Advantages Disadvantages Updraft Mature for heat Feed size limits Small scale applications High tar yields Can handle high moisture Scale limitations No carbon in ash Producer gas Slagging potential Downdraft Small scale applications Feed size limits Low particulates Scale limitations Low tar Producer gas Moisture sensitive Fluid Bed Large scale applications Medium tar yield Feed characteristics Higher particle loading Direct/indirect heating Can produce syngas Circulating Fluid Bed Large scale applications Medium tar yield Feed characteristics Higher particle loading Can produce syngas Entrained Flow Can be scaled Large amount of carrier gas Potential for low tar Higher particle loading Potential for low CH4 Potentially high S/C Can produce syngas Particle size limits Vantagens e Desvantagens Gaseificadores Gaseificadores Capacidade dos Gaseificadores Gaseificadores Gaseificadores para Indústria Açucareira Gaseificadores de biomassa eficientes podem explorar características únicas da biomassa Um grande número de companhias estão envolvidas na conversão térmica da biomassa A composição do gás varia com o tipo de gaseificador Gasificador FERCO Carbona Modelo IGT Princeton Tipo CFB Indireto FB Ar FB Indireto PFB Agente vapor ar vapor O2/vapor Material Leito olivine areia nada alumina Alimentação chips madeira pellets madeira Licor negro chips madeir Composição gás H2 26.2 21.7 29.4 19.1 CO 38.2 23.8 39.2 11.1 CO2 15.1 9.4 13.1 28.9 N2 2 41.6 0.2 27.8 CH4 14.9 0.08 13.0 11.2 C2+ 4 0.6 4.4 2.0 PCS, MJ/Nm3 16.3 5.4 17.2 9.2 O poder calorífico do gás varia de 15% a 40% do poder calorífico do gás natural Gaseificador Gás Entrada Tipo de Gás Gás Produzido PCS (MJ/Nm3) Oxidação Parcial Ar Gás Pobre 5-7 Oxidação Parcial Oxigênio Gás de Síntese 10 Indireto Vapor Gás de Síntese 15 Gás Natural 38 Metano 41 Custos Desafios Community Power Corporation’s BioMax Modular Biopower System Sistemas de 5, 15, 50 kW 8420 S. Continental Divide Road Littleton, Colorado USA 80127 www.gocpc.com Community Power Corporation 50 kWe combined heat and power Thermal energy for heat Thermal energy for absorption chiller Electricity: 8.1 liter GM turbocharged stationary engine with genset 24/6 operation No additional staffing transparent Seeking funding for other prime movers 1.5 tons/day green chips consumption Gaseificação direta com ar não produz efluente líquido Gaseificador de Licor Negro • 110 ton/dia de pellets de madeira • 5.4 MW potência elétrica • 11.5 MW térmica • Rendimento elétrico 30% (PCI), global 90% Projeto Carbona, Skive, Dinamarca 5 MWe A produção de combustíveis de transporte deve ser de grande escala devido a complexidade do processo e da natureza de capital intensiva. Deve existir oportunidades para pequenos sistemas. Diversificação de hidrocarbonetos pode ser a chave do sucesso Biorefinarias integradas envolvem tanto processos de conversão térmica quanto bioquímicos Gaseificação da Biomassa Gasogênio (motor a gas, turbina gas, célula combustível) Gas Natural Sintético (SNG) Combustível FT (FT-Diesel) Metanol Hidrogênio outros Biomassa O Conceito Básico da Química Verde Perdas de Chaminé Combustor O2 Gaseificador Turbina a Gás Turbina a VaporG1 G2 Energia da Biomassa 100% Perdas Termo- eletromecânicas 2% Perdas Parasitas Biomassa Biomassa Úmida Biomassa Seca Perdas do gaseificador Caldeira de Recuperação Ciclo Combinado Com Gaseificação da Biomassa “Estado da Arte” IGCC Integrated Gasification Combined Cycle • Gaseificação do carvão para produzir syngas • Syngas é queimado • O gás quente aciona a turbina a gás • Gás de escape da turbina produz vapor • Vapor aciona turbina a vapor IGCC de Puertollano – Espanha IGCC Integrated Gasification Combined Cycle Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo Combinado de Potência (BIGCC) de 30 MWe IGCC Integrated Gasification Combined Cycle Gaseificador UNESP Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo de cogeração de pequeno porte (15 kWe) Gaseificador Tipo Downdraft de simples estagio, 25 kg/h de Biomassa Motor Gerador Compacto 5 kWe Filtro de manga Trocador de Calor Água-Gás Gaseificador UNESP Cogerador Compacto Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo de cogeração de pequeno porte (15 kWe) Gaseificador UNESP Gaseificador Tipo Downdraft de duplo estagio, 25 kg/h de Biomassa Sistema de Alimentação de Biomassa Ciclone com sistema de preaquecimentode ar Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo de cogeração de pequeno porte (15 kWe) GEK Power Pallet 20 kW Gaseificador TOTTI multi-estagios Motor Industrial GM Gerador Controle eletronico Custo US$ 25.995,00 CHP: combined heat and power Planta Demo de Gaseificação CHP Güssing, Austria Gaseificador de Leito Fluidizado 8 MWtot, 2 MWel 4,5 MWth Produção de: calor, eletricidade combustível para transporte, syngas CHP: combined heat and power Texas A&M University Partes do Gaseificador Texas A&M University Coal Combustion Laboratory 10 kW Gaseificação Subterrânea do Carvão
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