Tecnologia de Gaseificação

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO RIO GRANDE DO SUL
Engenharia em Energia
Novo Hamburgo
Anelise Pittella de Freitas
Novo Hamburgo, 17 de outubro de 2017
Tecnologia de Gaseificação
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Introdução
Definição
Utilização
Processo
Desempenho
Tipos de Gaseificadores
Classificação
Funcionamento
Vantagens e desvantagens
Estequiometria do processo
Principais reações
Exemplo (artigo)
Conclusões
Principais referências
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Tecnologia de Gaseificação
Sumário
INTRODUÇÃO
A gaseificação é uma tecnologia não muito recente e muito promissora que vem se afirmando como uma fonte de energia e matéria-prima para redução das emissões globais de CO2. Mostram-se capaz de suprir as demandas energéticas mundiais, de maneira sustentável e ambientalmente correta, em um futuro não tão distante.
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Tecnologia da Gaseificação
INTRODUÇÃO
A gaseificação pode utilizar qualquer tipo de composto orgânico e seu produto será sempre uma mistura de gases rica em hidrogênio e óxidos de carbono, em especial o monóxido, variando apenas suas respectivas concentrações.
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Tecnologia da Gaseificação
Pode ser definida como a conversão termoquímica de um material sólido ou líquido (que tenha carbono em sua composição) em um produto gasoso combustível (Gás de Síntese). Estes gases combustíveis contem CO2, CO, H2, CH4, H2O, outros hidrocarbetos, gases inertes e diversos contaminantes (ex. particulados e alcatrões). Os sistemas de gaseificação operam de forma a limitar a oxidação completa do hidrogênio para água, e do monóxido de carbono para dióxido de carbono.
GASEIFICAÇÃO
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Tecnologia da Gaseificação
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GASEIFICAÇÃO
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Tecnologia da Gaseificação
O gás produzido pode ser utilizado para a geração de energia elétrica, pois o processo de gaseificação pode ser acoplado a turbinas a gás (BIG-GT), motores de combustão interna, motores Stirling (combustão externa) e células a combustível, e para a queima em queimadores de caldeiras para geração de vapor.
GASEIFICAÇÃO
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Tecnologia da Gaseificação
Processos de conversão térmica e os produtos gerados (Belgiorno et al.2003)
GASEIFICAÇÃO
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Tecnologia da Gaseificação
O gás produzido pode ser utilizado para:
UTILIZAÇÃO
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Tecnologia da Gaseificação
a geração de energia elétrica, pois o processo de gaseificação pode ser acoplado a turbinas a gás (BIG-GT),
motores de combustão interna, motores Stirling (combustão externa) e células a combustível.
a queima em queimadores de caldeiras para geração de vapor; 
secadores para secagem de peças cerâmicas
PROCESSO
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DESEMPENHO
Os fatores que afetam o desempenho do sistema de gaseificação são:
A razão de equivalência (comumente conhecida como fator de ar);
O tipo de agente de gaseificação;
O tempo de residência, o qual é limitado pela velocidade de fluidização quando o processo é realizado em reatores de leito fluidizado, e para o caso dos reatores de leito fixo, principalmente pelo projeto e pela operação a grelha;
As caracteristicas da biomassa em termos físico-químicos e energéticos.
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TIPOS DE GASEIFICADORES
O gaseificador é o reator no qual acontece a conversão termoquímica do material carbonáceo tratado. Existem três tipos principais de gaseificadores: gaseificador de leito fixo, gaseificador de leito fluidizado e o de leito de arraste. Ao mesmo tempo, todos eles podem ser aquecidos direto ou indireto. A classificação se baseia na direção relativa do fluxo de biomassa e do agente de gaseificação, e na forma de fornecimento de calor ao reator.
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Tecnologia da Gaseificação
Os reatores de leito vertical são os mais comuns. Os gaseificadores de leito fixo são relativamente fáceis de projetar e de operar. São eficientes trabalhando com combustíveis de alta densidade e granulometria
grosseira. São usados em plantas de energia de tamanho pequeno ou médio e para a
recuperação energia térmica.
TIPOS DE GASEIFICADORES
Gaseificador de leito fixo
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Tecnologia da Gaseificação
Estes gaseificadores são subdivididos em:
updraft (contracorrente)
downdraft (co-corrente) 
Nos gaseificadores tipo contracorrente o material sólido é alimentado pelo
topo e o ar é introduzido pela parte inferior do reator; aqui o material sólido é convertido em gás combustível na medida em que este percorre a trajetória para a parte inferior do reator. A trajetória inicia no topo: Secagem, pirólises, redução e combustão (oxidação). Na zona de combustão é onde se atinge a maior temperatura 1200oC (Belgiorno et al. 2003).
TIPOS DE GASEIFICADORES
Gaseificador updraft
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Gaseificador de leito fixo
sua simplicidade
alta proporção de carvão a ser queimado, troca interna de calor (fazendo com que as temperaturas dos gases de saída sejam baixas)
alta eficiência do equipamento possibilidade de operar com diversos tipos de alimentação.
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Granulometria de Biomassa
a possibilidade da aparição de canalizações no equipamento
necessidade da instalação de grelhas de movimento automático
apresentam problemas relacionados com a eliminação dos líquidos condensados, que contem alcatrões resultantes das operações de limpeza do gás.
O Gaseificador updraft apresenta as seguintes vantagens e desvantagens:
VANTAGENS
DESVANTAGENS
TIPOS DE GASEIFICADORES
Gaseificador de leito fixo
TIPOS DE GASEIFICADORES
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Tecnologia da Gaseificação
A biomassa é alimentado pelo topo e o ar é alimentado pela parte lateral do reator, enquanto o gás combustível é retirado abaixo da grelha.
Quatro zonas de reação chamadas, secagem, pirólises, oxidação e redução. 
A velocidade de secagem depende da área superficial do combustível, da diferença de temperatura entre alimentação e os gases quentes e da velocidade de recirculação, e da umidade relativa dos gases, como também da difusividade interna da umidade no combustível. 
A temperatura na zona de secagem está na faixa de 70 – 200oC.
Gaseificador downdraft
Gaseificador de leito fixo
possibilidade de produzir um gás livre de alcatrões, apropriado para ser usado em motores.
não sofre objeções ambientais como os reatores de contracorrente
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Granulometria de Biomassa
o combustível sólido precisa ser briquetado antes de ser alimentado no reator, em particular, os materiais brandos e de baixa densidade ocasionam problemas na circulação e queda de pressão
presentam problemas com combustíveis com alto teor de cinzas (formação de escórias)
O Gaseificador downdraft apresenta as seguintes vantagens e desvantagens:
VANTAGENS
DESVANTAGENS
TIPOS DE GASEIFICADORES
Gaseificador de leito fixo
Nos gaseificadores de leito fluidizado, as partículas do combustível são mantidas suspensas em um leito de partículas inertes (areia, cinzas ou alumina) fluidizadas pelo fluxo ascendente de ar, criando condições favoráveis de transferência
de calor e homogeneidade da temperatura na câmara da reação (Resende, 2003).
Um reator de leito fluidizado pode ser descrito como um leito de partículas que ao se aumentar o fluxo de gás através dele faz com que este passe por fases sucessivas: leito fixo, leito fluidizado incipiente, leito fluidizado borbulhante e finalmente
transporte pneumático das partículas. 
TIPOS DE GASEIFICADORES
Gaseificador de leito fluidizado
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Desenvolvida
para resolver os problemas operacionais dos reatores de leito fixo, como alimentação com alto teor de cinzas e principalmente para incrementar a eficiência.
Os principais tipos de gaseificadores de leito fluidizado são: reator de leito borbulhante (bubbling fluidised bed) e reator de leito circulante (circulating fluidised bed)
TIPOS DE GASEIFICADORES
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Tecnologia da Gaseificação
flexibilidade quanto ao material na alimentação, devido ao fácil controle de temperatura pode ser mantido abaixo do ponto de fusão das cinzas e a capacidade de operar com materiais friáveis e de granulometria fina sem a necessidade de serem briquetados.
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Granulometria de Biomassa
temperaturas de operação limitada
alto teor de alcatrões no gás produzido devido às baixas temperaturas de operação (700-900°C)
combustão incompleta do carvão.
O Gaseificador de leito fluidizado apresenta as seguintes vantagens e desvantagens:
VANTAGENS
DESVANTAGENS
TIPOS DE GASEIFICADORES
Gaseificador de leito fluidizado
TIPOS DE GASEIFICADORES
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Tecnologia da Gaseificação
Estes equipamentos geralmente utilizam o combustível na forma de gás, pó ou em estado líquido, exigindo a adequação da biomassa a uma granulometria muito fina ou inclusive a estado líquido por meio de uma pirólise prévia. 
O combustível é usualmente transportado por uma mistura de O2 e vapor de H2O e gaseificado em temperaturas superipres a 1200C e pressão acima de 20bar. O processode gaseificação ocorre durante o transporte pneumatico dos materiais que compóe a mistura, que pode ser tanto em sentido ascendente(combustível fornecido pelos extremos katerias do reator), quanto descendente(combustível fornecido pela topo)
Gaseificador de leito de arraste
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TIPOS DE GASEIFICADORES
Gaseificador de leito de arraste
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TIPOS DE GASEIFICADORES
ESTEQUIOMETRIA DO PROCESSO
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Tecnologia da Gaseificação
A quantidade estequiométrica de ar para a combustão completa de biomassa seca com composição típica CH1,4 O0,6 é aproximadamente 6kg de ar/kg de biomassa.
Para a gaseificação existe uma quantidade ideal de ar que produz somente CO e H2, que é ao redor de 20% da estequiométrica, ou seja, 1,2kg de ar/kg de biomassa.
A reação química de um processo típico de gaseificação é representada pela seguinte equação:
PRINCIPAIS REAÇÕES
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Tecnologia da Gaseificação
A composição típica do gás produzido na gaseificação é mostrada na tabela a seguir:
O poder calorífico desse gás produzido é da ordem de 5.500 kJ/Nm3, considerando o nitrogênio presente no ar. As principais reações químicas que são desenvolvidas em cada etapa são apresentadas nas equações seguintes:
PRINCIPAIS REAÇÕES
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Tecnologia da Gaseificação
Os dados da energia padrão de Gibbs e entalpia padrão foram calculados a 1100oC, empregando o software HSC Chemistry 5.0.
PRINCIPAIS REAÇÕES
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Tecnologia da Gaseificação
EXEMPLO
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Tecnologia da Gaseificação
EXEMPLO
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Tecnologia da Gaseificação
A gaseificação é uma alternativa para a produção de energia através de energias renováveis;
O desenvolvimento da tecnologia em países que não possuem outras fontes de energia;
Controle de emissões e aproveitamento de carbono;
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Conclusões
BELGIORNO, V. Et alii. Energy from gasification of solid wastes. Wate Managemente, 23, p-15, 2003.
LORA, E., ANDRADE, R. Gaseificação e Pirólise para a Combustão da Biomassa em eletricidade e Biocombustíveis.
CENBIO - Centro Nacional de Referência em Biomassa. Projeto GASEIBRAS. Relatório Técnico. Dezembro, 2003
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Principais Referências
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Granulometria de Biomassa
Obrigada!