EBF Unidade 07 Energia Secundária da Biomassa Florestal Gaseificação da Madeira

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01/08/2017
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Unidade VII
Obtenção de Energia Secundária da Biomassa Florestal
Gaseificação da Madeira
Prof. Adriano Reis Prazeres Mascarenhas
Energia de Biomassa Florestal
Fundação Universidade Federal de Rondônia
Bacharelado em Engenharia Florestal
O que é gaseificação da 
madeira
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Gaseificação da Madeira
A gaseificação da madeira é um processo de transformação da matéria 
vegetal (lenha ou carvão vegetal) em gás combustível, o qual contém 
CO e H2 como produtos mais importantes. 
• Desenvolvido no início do século XIX com a revolução industrial já em
andamento em países com amplas reservas de carvão mineral (França 1841).
• O gás pobre produzido nos gasogênios, ou gaseificadores a ar, se destinava ao
consumo imediato em fornos industrias e motores a gás.
• Muito utilizado na segunda guerra mundial e abandonado em função do baixo
preço do petróleo (Gaseificadores mais eficientes).
Gaseificação da Madeira
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• Elbeman (1940), notou que o alcatrão formado no processo poderia ser
gaseificado, então surge o gaseificador de duplo estágio.
• A zona de oxidação situa-se entre as zonas de pirólise e redução, de modo que os
alcatrões são obrigados a passa em zonas de reação de alta temperatura.
• Em que são degradados por reações de oxidação e decomposição térmica.
Gaseificação da Madeira
Reações de Gaseificação 
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• O processo de gaseificação da biomassa resulta de complexas reações, ainda
não bem conhecidas em sua totalidade.
• Porém, de forma introdutória e em termos teóricos, pode ser subdividido em
várias etapas.
Reações de Gaseificação
• Dependendo da organização do processo de gaseificação (movimento relativo
da biomassa e do gás de gaseificação), estas etapas transcorrem em diferentes
regiões do gaseificador, ou em todo seu volume de maneira simultânea.
Reações de Gaseificação
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1ª Etapa: Pirólise ou decomposição térmica, que se desenvolve a temperaturas
próximas de 600ºC.
Reações de Gaseificação
Biomassa + Calor → Coque + Gases + Alcatrão + Condensáveis (1)
2ª Etapa: Oxidação de parte do carbono fixo do combustível, método que
constitui a fonte de energia térmica para o processo de volatilização e gaseificação.
Reações de Gaseificação
C + ½ O2 → CO (2)
C + O2 → CO2 (3)
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3ª Etapa: Gaseificação propriamente dita, que inclui reações heterogêneas entre os
gases e o coque residual, assim como reações homogêneas entre os produtos já
formados.
Reações heterogêneas
Reações de Gaseificação
C + CO2 → 2 CO (Reação de Bouduard) (4)
C + H2O → CO + H2 (Reação de gás de água ou reação carbono vapor) (5)
C + 2H2 → CH4 (Reação de formação de metano) (6)
3ª Etapa: Gaseificação propriamente dita, que inclui reações heterogêneas entre os
gases e o coque residual, assim como reações homogêneas entre os produtos já
formados.
Reações homogêneas
Reações de Gaseificação
C + H2O → CO2 + H2 (Reação de deslocamento da água) (7)
CH + HO → CO + 3 H (8)
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4ª Etapa: Craqueamento do alcatrão – processo de destruição térmica das
moléculas dos compostos que formam o alcatrão com a obtenção de CO, CO2,
CH4 e outros gases como produtos.
Reações de Gaseificação
Alcatrão + Vapor + Calor → CO + CO2 + CH4 (9)
5ª Etapa: Oxidação parcial dos produtos da pirólise.
Reações de Gaseificação
CO + H2 + CH4 + O2 → CO2 + H2 (9)
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• Desta forma pode-se resumir em:
Combustão do carbono:
C + O2 ↔ CO2 H = -97 Kcal/mol
Gaseificação do carbono:
CO2 + C ↔ 2CO H = + 38,2 Kcal/mol
H2O + C ↔ CO2 + H2 H = + 28,2 Kcal/mol
2 H2O + C ↔ CO2 + 2H2 H = + 49,2 Kcal/mol
C + 2H2 ↔ CH4 H = - 21,2 Kcal/mol
Reações de Gaseificação
• As dez equações apresentadas não demonstram toda a complexidade dos
processos que ocorrem durante a gaseificação da biomassa.
• Entretanto pode-se concluir:
I. A adição de vapor de água ao ar de gaseificação, na prática até
aproximadamente uns 30%, aumenta o conteúdo de hidrogênio e de
monóxido de carbono no gás obtido, como mostram as equações 5,7 e 8.
II. O aumento da pressão favorece a formação de metano, segundo a equação
6, por causa da diminuição do número de moles ao se passar dos reagentes
aos produtos.
Reações de Gaseificação
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Produtos da Gaseificação 
• As velocidades com que ocorrem as reações dependem das condições de
operação do gaseificador (pressão e temperatura).
• O gás produzido tem proporções variadas de CO, CO2, H2, CH4 e vários outros
produtos em pequenas quantidades.
• Estas proporções também são em função de impurezas e composição química da
matéria prima utilizada.
Reações de Gaseificação
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• O gás produzido nos sistemas de gaseificação pode ser utilizado diretamente
como combustível ou servir de matéria prima para a síntese de produtos
químicos como o metanol ou amônia (principais).
• Os gaseificadores para produção de gás de síntese são mais sofisticados
trabalhando somente com oxigênio para eliminação do nitrogênio inerte.
Produtos da Gaseificação
Oxidação da biomassa sólida + Oxigênio Puro
Redução das perdas de energia associadas à presença de gases inertes, como o 
nitrogênio que constitui 80% do ar atmosférico.
Produtos da Gaseificação
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• O gás produzido neste caso apresenta um poder calorífico mais elevado, porém
o alto custo de produção de oxigênio é uma importante limitação econômica
desta alternativa.
• Têm maior custo, pois o gás deve ser mais limpo, com baixos teores de alcatrão
e pirolenhosos, exigindo unidades especiais de limpeza.
Produtos da Gaseificação
Tipos de Gaseificadores
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Tipos de Gaseificadores
Classificação
Pressão
Leito
Pressurizados
Atmosféricos
• Diversos tipos de gaseificadores foram desenvolvidos para atender as
necessidades da matéria-prima e as necessidades do gás a ser produzido.
• Os principais são:
 Gaseificador de Leito Fixo.
 Gaseificador de Leito Fluidizado ou de Leito Circulante.
Tipos de Gaseificadores
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Além do tipo de leito, existem diversas maneiras de se classificar os processos e
equipamentos de gaseificação, são elas:
Quanto à fonte de energia para o processo.
• Alotérmico: fonte de energia externa.
• Autotérmico: energia própria.
Quanto à pressão de operação.
• Alta pressão: acima da pressão atmosférica.
• Baixa pressão: próxima a pressão atmosférica.
Tipos de Gaseificadores
Quanto à forma de descarga de cinzas.
• Cinzas fundidas.
• Cinzas sólidas.
Quanto ao movimento rotativo da corrente de gases x correntes de combustível
Tipos de Gaseificadores
• Contra-corrente.
• Co-corrente.
• Leito fluidizado.
• Transversal.
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Gaseificadores de Leito Fixo
Gaseificador de Leito Fixo.
• Caracteriza-se por ter o combustível empilhado, descendo gradualmente, à
medida que é consumido.
• A madeira ou o carvão vegetal são introduzidos na parte superior do
gaseificador e a cinza é retirada pela parte inferior.
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de Leito Fixo.
• A entrada de ar ou oxigênio pode ser na parte superior do gaseificador,
caracterizando a gaseificação como co-corrente com a madeira.
• Quando a alimentação é feita na parte inferior chama-se contra corrente.
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de Leito Fixo.
• A vantagem da gaseificação co-corrente é que os produtos da pirólise são
forçados a passar pela área de gaseificação, sendo quebrados (Sistema utilizado
em unidades de pequeno porte).
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de Leito Fixo.
• Suas principais características são:
• Facilidade de construção e operação.
• Elevados gradientes internos detemperatura e tempo de residência da madeira
elevado, o que conduz a vasos de dimensões relativamente grandes.
Tipos de Gaseificadores
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de leito fixo co-corrente (updraft)
• Também conhecida como descendente, a gaseificação co-corrente produz um
gás praticamente isento de alcatrões.
• Nos gaseificadores, os produtos da pirólise são forçados a passarem através da
zona de combustão, onde há carvão incandescente.
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de leito fixo co-corrente (updraft)
• Desta forma, os alcatrões são destruídos termicamente, produzindo-se um gás
“limpo”.
• Neste tipo de gaseificador, o ar injetado pode queimar até 99,9% do alcatrão
liberado pelo combustível.
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de leito fixo co-corrente (updraft)
• Este tipo de gaseificador foi largamente empregado na Europa durante a
Segunda Guerra Mundial.
• Embargo de derivados de petróleo para o esforço da guerra, principalmente
como fonte de combustíveis gasogêneos em veículos de pequeno e médio porte
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de leito fixo co-corrente (updraft)
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de leito fixo co-corrente (updraft)
• O gás gerado, após passar por um ciclone para coleta de material particulado,
passa por um sistema de resfriamento e filtragem para provocar a condensação
da umidade presente nos gases e coleta de alcatrões eventualmente presentes.
Tipos de Gaseificadores
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de leito fixo co-corrente (updraft)
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de leito fixo co-corrente
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de leito fixo co-corrente
(updraft)
• É possível gaseificar materiais com até 30%
de umidade.
• O excesso de água prejudica a qualidade do
gás, tornando internamente instável a zona
de combustão.
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de leito fixo co-corrente (updraft)
• Gaseificação com oxigênio enriquecido.
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de leito fixo co-corrente (updraft)
• Vantagens:
• Consomem entre 99 a 99,9% do alcatrão (mínimo de limpeza).
• Os materiais inorgânicos ficam retidos na matriz de carvão e a cinza retirada
pelo fundo dos gaseificadores, reduz a necessidade de ciclones e filtros a quente.
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de leito fixo co-corrente (updraft)
• Vantagens:
• O gás (quando limpo) pode ser utilizado em motores de linha, sem maiores
modificações.
• Os gaseificadores de topo aberto apresentam poucos problemas em casos de
explosão.
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de leito fixo co-corrente (updraft)
• Desvantagens:
• O combustível tem de apresentar baixa umidade (<20 %) e granulometria
uniforme.
• O gás sai do gaseificador a temperaturas elevadas (em geral 700oC), desta
forma esta energia é perdida, a menos que haja algum aproveitamento (para
preaquecimento do ar, secagem do combustível).
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de leito fixo co-corrente (updraft)
• Desvantagens:
• 4 a 7% do carbono do combustível não é convertido, saindo com as cinzas pelo
fundo do gaseificador.
• A potência de pico de motores com ignição a vela é reduzida em 30 a 40 %, a
menos que ele seja turbinado.
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de leito fixo contra-corrente (downdraft)
• Caracterizam-se pelo movimento descendente do combustível (carvão vegetal ou
madeira) e ascendente dos gases gerados.
• Contracorrente se refere ao fato do combustível ser alimentado pelo topo
(válvula rotativa ou porta de alimentação) e desce em contracorrente ao ar ou
oxigênio (também misturado com vapor d’água ou CO2).
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de leito fixo contra-corrente (downdraft)
• Do ponto de vista térmico, tem a vantagem de absorver parte do calor sensível
dos gases quentes produzidos na câmara de combustão (pré-aquecimento do
combustível).
• Os gaseificadores que utilizam carvão são mais antigos e simples e largamente
utilizados na gaseificação de carvão mineral e gaseificação de biomassa.
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de leito fixo contra-corrente (downdraft)
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de leito fixo contra-corrente (downdraft)
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de leito fixo contra-corrente (downdraft)
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de leito fixo contra-corrente (downdraft)
• As primeiras camadas de carvão vegetal ou biomassa ficam apoiadas sobre a
grelha entram em combustão intensa.
• Produzem CO2 e H2O a temperaturas elevadas e posteriormente são reduzidas a
CO e H2 conforme eles passam pela camada descendente de coque ou carvão,
resfriando a temperaturas da ordem de 750oC.
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de leito fixo contra-corrente (downdraft)
• Vantagens:
• Simplicidade operacional e habilidade de gaseificar materiais com elevado teor
de água e material inorgânico, como lodo residual do tratamento de esgoto.
• Opera com temperaturas muito elevadas na região da grelha (a menos que
vapor d’água seja injetado na grelha) capaz de fundir metais e escória
(gaseificação com cinza fundida).
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de leito fixo contra-corrente (downdraft)
• Desvantagens:
• O gás gerado normalmente contém de 10 a 20% do alcatrão gerado na pirólise
do combustível, com uma concentração da ordem de 100 g/Nm3.
• No caso de aplicações em motores de combustão interna, turbinas ou para
geração de gás de síntese, o alcatrão deverá ser removido
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de leito fixo contra-corrente (downdraft)
• Desvantagens:
• A grelha pode ser submetida a temperaturas muito elevadas, a não ser que
vapor d’água ou CO2 seja injetado com o ar ou oxigênio.
• A granulometria do combustível alimentado tem de ser uniforme para evitar
perda de carga elevada no leito (no caso do gaseificador atmosférico) ou
formação de canais preferenciais.
Tipos de Gaseificadores
Gaseificadores de Leito 
Fluidizado
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Gaseificador de Leito Fluidizado
• Caracteriza-se por utilizar a madeira ou carvão vegetal na forma de partículas de
pequenas dimensões (5 a 7 mm).
• As partículas são mantidas em suspensão, através da injeção do meio
gaseificador (ar ou oxigênio e vapor), estas partículas passam pelo leito em uma
velocidade suficiente para fluidizá-lo.
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de Leito Fluidizado
• Os gaseificadores de leito fluidizado podem ser:
 Leito borbulhante.
 Leito circulante.
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de Leito Fluidizado
• Leito borbulhante.
 O gaseificador de leito borbulhante foi o primeiro gaseificador de leito
fluidizado a ser projetado, com velocidade de 1 m/s.
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de Leito Fluidizado
• Leito borbulhante.
 No gaseificador em leito fluidizado borbulhante, as partículas arrastadas não
recirculam.
 A alimentação da biomassa ocorre diretamente na zona do leito e apresenta
velocidades de trabalho menores que a do arraste pneumático.
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de Leito Fluidizado
• Leito borbulhante.
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de Leito Fluidizado
• Leito circulante.
 No de leito circulante, resultado de projeto mais recente, o material
atravessa em velocidade mais alta (7 a 10 m/s).
 Permitindo melhor mistura do ar com o combustível a ser gaseificado.
Tipos de Gaseificadores
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Gaseificador de Leito Fluidizado
• Leito circulante.
As partículas sólidas são re-circuladas, o que ocasiona uma maior conversão
de carbono, pelo maior tempo de resistência das partículas.
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de Leito Fluidizado
• Leito circulante.
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Tipos de Gaseificadores
Tipos de Gaseificadores
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Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de Leito Fluidizado
• Leito circulante.
 Há dois modos de fornecer calor, direto e indireto.
 No fornecimento de calor direto o calor requerido para a gaseificação vem
da combustão do carvão no reator.
 No modo indireto o carvão removido do gaseificador é queimado num
recipiente separado.
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Gaseificador de Leito Fluidizado
• Vantagens:
• A temperatura de saída do gás é aproximadamente a temperatura do leito.
• O tempo de residência é pequeno (menos de 1 minuto), proporcionando uma
elevada produção de gás em vasos de dimensões relativamente pequenas.
Tipos de Gaseificadores
Gaseificador de Leito Fluidizado
• Desvantagens:
• Problemas de segurança, na manipulação de misturas sólido-fino com gás, que
são potencialmente explosivos.
• Operação e construção relativamente sofisticadas.
Tipos de Gaseificadores
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Fatores influentes na 
gaseificação
Características da Biomassa.
 Composição elementar.
 Poder calorífico.
 Granulometria.
 Umidade.
Agente de gaseificação.
 Ar.
 Oxigênio.
 Vapor.
Temperatura e pressão de operação.
Vazão, velocidade do agente de gaseificação.
Vazão da biomassa.
Fatores influentes na gaseificação
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Granulometria
• O tamanho das partículas e a homogeneidade, afetam as características de
escoamento do material sólido no gaseificador, na penetração dos jatos de ar no
leito e na velocidade de pirólise.
• Partículas pequenas, como as muito grandes, podem resultar em teores elevados
de alcatrão no gás.
• No primeiro caso, por causa da deficiência de penetração de ar no leito, devido
sua baixa porosidade, e no segundo, devido ao longo tempo necessário para a
pirólise.
Fatores influentes na gaseificação
Umidade
• A umidade do combustível é considerada como o fator de maior influência na
composição do gás produzido.
• Na gaseificação com ar, a umidade é limitada pela qualidade do gás e
normalmente é fixada em torno dos 30%
Fatores influentes na gaseificação
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Teor de Carbono, Densidade e Poder Calorífico
• Parâmetros estão intimamente relacionados, sendo que o aumento de um deles
implica, geralmente, no aumento dos demais.
• Combustíveis com maiores teores de carbono fixo (por unidade de volume),
densidade e/ou poder calorífico, proporcionam no interior do gaseificador um
maior fluxo gasoso, o que aumenta a energia produzida
Fatores influentes na gaseificação
Temperatura e Pressão do Gaseificador
• A pressão apresenta uma considerável influência na composição dos gases, pois
favorece as reações em que há redução, principalmente favorecendo a formação
do metano (CH4).
Fatores influentes na gaseificação
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Temperatura e Pressão do Gaseificador
• A temperatura dos gaseificadores sob pressão é mais alta que em gaseificadores a
pressão atmosférica por auto-ajuste.
• Removendo o CO2 e o H2O que tendem a aumentar com a pressão, o gás
obtido pode tem um maior poder calorífico, porém o seu rendimento é
reduzido.
Fatores influentes na gaseificação
Teor de Oxigênio e Vapor D’água
• Quando se aumenta o teor de O2 no agente de gaseificação é o aumento da
temperatura de reação.
• O poder calorífico também aumenta, uma vez que a diluição com o nitrogênio
diminui.
Fatores influentes na gaseificação
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Teor de Oxigênio e Vapor D’água
• O aumento da mistura de O2 e vapor d’água tende a produzir gases mais ricos
em H e CO2.
• Reduz o CO devido a reação de formação de água ser favorecida, reduzido o
poder calorífico à medida que a quantidade de vapor d’água seja aumentada.
Fatores influentes na gaseificação
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