Gaseificação do Carvão Mineral

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DIVISÃO DE ENGENHARIA
CURSO DE ENGENHARIA DE PROCESSAMETO
3º Ano, Turma Única-PL 
Cadeira:
QUIMICA METALÚRGICA
Tema:
GASEIFICAÇÃO DO CARVÃO MINERAL 
Discentes: Docente Vânia Francisco Mondlane Msc. Floriano Torcida
AGOSTO, 2021
ÍNDICE
1.	INTRODUÇÃO	3
1.1.	OBJECTIVOS	4
1.1.1.	Geral	4
1.1.2.	Específicos	4
2.	PROCESSO DE GASEIFICAÇÃO DO CARVÃO MINERAL	5
2.1.	Conversão Termoquímica	5
2.2.	Gaseificação	5
2.3.	Etapas	5
2.3.1.	Secagem (evaporação da umidade)	5
2.3.2.	Devolatilização (pirólise)	6
2.3.3.	Redução (gaseificação)	6
2.4.	Tecnologia de Gaseificação	7
2.4.1.	Gaseificação em Leito Fixo	7
2.4.2.	Gaseificação em Leito Fluidizado	8
2.4.3.	Gaseificação em Leito de Arraste	9
3.	CONCLUSÃO	11
4.	REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	12
1. INTRODUÇÃO 
A gaseificação do carvão é praticada desde a primeira metade do século XIX, e tem a finalidade de converter o carvão mineral em combustível em combustível sintético de aplicação directa na produção de energia.
O termo descreve as reacções termoquímicas de um combustível sólido na presença do ar ou oxigénio, em quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo para a combustão) e vapor de água, com a finalidade de formar gases que podem ser usados como fonte de energia térmica e eléctrica, para síntese de produtos químicos e combustíveis líquidos (UFRGS, 2003). Deste modo, o presente trabalho visa fazer uma abordagem referente ao processo de gaseificação do carvão mineral, tendo em conta que é uma tecnologia amiga do ambiente, ainda neste trabalho será possível fazer menção daqueles que são os tipos de gaseificadores assim como os tipos de gaseificação, mas, tudo virado ao carvão mineral.
1.1. OBJECTIVOS 
1.1.1. Geral
· Explicar como ocorre o processo de Gaseificação do Carvão Mineral.
1.1.2. Específicos
· Definir o processo de gaseificação, e seus respectivos mecanismos de operação;
· Identificar e descrever os tipos de gaseificadores;
 
2. PROCESSO DE GASEIFICAÇÃO DO CARVÃO MINERAL 
Generalidades:
2.1. Conversão Termoquímica
A conversão termoquímica modifica a estrutura química de uma carga carbonosa através de altas temperaturas. De acordo com a presença ou não de um agente de gaseificação, os processos de conversão termoquímica podem ser divididos em:
· Combustão: ER> 1;
· Gaseificação: 0<ER <1;
· Pirólise; ER=0
A combustão é um processo exotérmico e tem como objectivo principal a geração de calor;
A gaseificação é um processo endotermico e tem como objectivo principal a geração de um gás com algum poder calorífico;
E a pirólise também é um processo endotermico mas seu objectivo principal é a geração de um líquido.
2.2. Gaseificação 
É um processo de conversão termoquímica de uma carga carbonosa em uma mistura gasosa pela acção de calor e de um agente gaseificante.
A conversão termoquímica envolve reacções de:
· Devolatilização,
· Oxidação e
· Redução a temperaturas relativamente altas.
Esses sub-processos podem ser observados como zonas teóricas ao longo do reactor.
Nas zonas de secagem e devolatilização (pirólise), a carga sofre decomposição térmica liberando água, matéria volátil e sólido residual.
Esses componentes formados são oxidados na zona de oxidação liberando uma grande quantidade de energia.
As reacções de redução ocorrem na zona de redução para produzir o syngas pelo uso da energia liberada através de reacções endotérmicas.
2.3. Etapas 
2.3.1. Secagem (evaporação da umidade) 
É um processo endotérmico e os fenómenos de transporte da humidade incluem:
· Convenção e difusão de vapor de água e convenção de água capilar nos poros da partícula e
· Difusão da água superficial na partícula
2.3.2. Devolatilização (pirólise)
Envolve reacções primárias que decompõem a carga sólida em voláteis e carbono residual e reacções secundárias que os convertem em gases mais leves.
Carga voláteis + carbono residual
Oxidação (combustão) 
Converte espécies oriundas da devolatilização a CO2 e H2O liberando uma quantidade considerável de energia.
2.3.3. Redução (gaseificação)
Ocorre em uma condição de oxigénio escasso através de reacções de redução devido a grande quantidade liberada de calor na zona de oxidação.
C + H2O CO + H2 Hr = +131 kJ/mol
C + CO2 2CO Hr = +172 kJ/mol
C + 2H2 CH4 Hr = - 75 kJ/mol
CH4 + CO2 2CO + 2H2 _Hr = +124 kJ=mol
CH4 + H2O CO + 3H2 Hr = +205 kJ/mol
CO + H2O CO2 + H2 Hr = 41 kJ/mol
Geralmente as cargas carbonosas são:
· Carvão mineral: combustível sólido de origem fóssil e
· Biomassa: combustível derivado de organismos vivos recentes.
· Resíduo: subprodutos de processos industriais ou de actividades humanas.
Gás combustível ou “gás de síntese” (syngas) constituído
· Por uma mistura de:
· H2, hidrocarbonetos,
· CO2, CO,
· Carbono sólido residual,
· Compostos condensáveis e
· Vapor de água
Os agentes gaseificantes mais comuns são:
· Ar,
· Oxigênio e
· Vapor de água.
2.4. Tecnologia de Gaseificação
Existem diferentes tecnologias de gaseificação que, no entanto, se dividem em três categorias principais:
· Gaseificador de leito fixo (também chamado de leito movimentado), onde o combustível é alimentado em grãos grossos e o oxidante flui relativamente devagar de baixo para cima pelo leito (existem sistemas em co-corrente e em contra-corrente, sendo o último o mais comum).
· Gaseificadores de leito fluidizado, onde o combustível é alimentado em forma particulada e misturado com o material do leito. O leito é suspenso pelo fluxo do oxidante.
· Gaseificadores de leito de arraste, onde o combustível é introduzido no reactor em forma pulverizada e arrastada pelo fluxo do oxidante à alta velocidade. O tempo de retenção neste reactor é muito curto, o que permite alta capacidade de carga.
Dentre os grupos das respectivas tecnologias, existem, por sua vez, diferenças em relação ao oxidante, condições de operação, sistema de alimentação, remoção de cinzas e método de resfriamento e limpeza do gás de síntese. Essas diferenças são determinantes para a taxa de conversão do combustível25 e a composição do gás de síntese
2.4.1. Gaseificação em Leito Fixo
Descrição técnica
Num gaseificador de leito fixo o combustível geralmente é introduzido pela parte de cima e se move lentamente para baixo pelo efeito da gravidade. O oxidante é introduzido ou pela parte de cima (co-corrente) ou pela parte de baixo (contra-corrente). Em ambos os casos se formam, dentro do reactor, diferentes áreas de reacção: aquecimento e secagem, decomposição pirolítica, oxidação e redução.
Figure 1: Esquema e perfil de temperatura em gaseificadores de leito fixo (contra-corrente). Fonte: HOLT (2004)
O gás de síntese é produzido nas áreas de oxidação e redução do reactor onde temperaturas de até 1300°C em gaseificadores dry-ash (com cinzas secas), e de 1500°C a 1800°C em gaseificadores slagging (de leito de lama), são atingidas (COLLOT, 2006). O gás passa depois pela área da decomposição pirolítica e da secagem, onde é resfriado a temperaturas de 425 – 650 °C (HIGMAN e VAN DER BURGT, 2008) em gaseificadores de carvão ou até 100 – 200 °C em gaseificadores de biomassa (KALTSCHMITT 2001). Essa troca de calor que acontece dentro do reactor faz com que esse processo apresente pouca perda de calor, ou seja, alta eficiência, e baixa demanda de oxigénio, sendo que o calor para pré-aquecer o combustível é retirado do gás quente e não precisa ser produzido pela combustão do combustível.
A principal exigência de gaseificadores de leito fixo é a boa permeabilidade do leito para evitar quedas de pressão locais e a formação de canais de combustão, o que pode levar a instabilidades na temperatura de saída e composição do gás de síntese. Existem três fenómenos que podem levar a estes problemas: um alto teor de partículas finas, a fusão de combustível no leito e a clinquerização dascinzas.
2.4.2. Gaseificação em Leito Fluidizado
Num gaseificador de leito fluidizado, o oxidante e o combustível são misturados em um leito aquecido de material a granel, por exemplo, calcário, dolomita (CaMg(CO3)2) ou olivina ((Mg,Fe)2SiO4). O combustível precisa ser particulado (6–10 mm, HIGMAN e VAN DER BURGT, 2008) e constitui tipicamente menos que 3 % p/p do material sólido do leito. Os restos dos sólidos são absorventes, cinzas ou areia.
O leito é fluidizado pelo oxidante, que entra pelo fundo do reactor, percorre o reactor e sai pela parte de cima. Através da fluidização, as partículas de combustível se espalham velozmente no leito o que permite o aquecimento rápido acima da temperatura de ignição do combustível.
Em reactores de leito fluidizado, realiza-se o processamento de uma carga maior em comparação com gaseificadores de leito fixo, dado que o tempo de retenção é curto por causa do reduzido tamanho de grão do combustível.
Figure 2:Esquema e perfil de temperatura em gaseificadores de leito fluidizado. Fonte: HOLT (2004)
2.4.3. Gaseificação em Leito de Arraste
Em gaseificadores de leito de arraste, partículas pulverizadas (<100 μm) de combustível são injectadas no reactor e reagem com vapor, oxigénio ou ar em fluxo paralelo a altas velocidades. O curto tempo de retenção permite uma capacidade de gzu carga muito alta (por volta de 2000 t/d). O controle da razão combustível/oxidante é de grande importância e precisa ser mantida dentro de limites estreitos para manter uma chama estável perto da ponta do injector. Como a carga que se encontra efectivamente no reactor é muito pequena e atravessa o reactor à velocidade elevada, o processo reage com alta sensibilidade a alterações em relação à alimentação de combustível e oxidante30.
Dos três tipos de gaseificação, essa tecnologia apresenta, então, as exigências mais altas com respeito à homogeneidade do combustível. Porém, é a tecnologia que consegue converter a mais ampla faixa de combustíveis em um gás de alta qualidade. Isto se deve às suas condições de operação: temperaturas entre 1200 e 1600°C e pressões entre 2 e 8 MPa permitem altas taxas de conversão para todos os combustíveis, independentemente das características de combustão.
Figure 3: Esquema e perfil de temperatura em gaseificadores de leito de arraste. Fonte: HOLT (2004)
Nota-se que quase todos os gaseificadores de leito de arraste comercializados utilizam oxigénio como oxidante31, o que facilita atingir as temperaturas de operação.
Relativamente às outras tecnologias antes descritas, o leito de arraste consome mais oxidante. Enquanto gaseificadores de leito fixo e fluidizado operam com uma taxa oxigénio/carvão abaixo de 0,7 kg/kg, gaseificadores de leito de arraste necessitam taxas acima de 0,9 kg/kg (LIU et al., 2010a).
Gaseificadores de leito de arraste foram concebidos para carvões com teor de cinzas de mais de 6 % p/p (CODA et al., 2007). Contudo, carvões com teor de cinzas muito alto (> 20 %) não são recomendados para gaseificadores que operam no modo slagging, pois o alto teor de cinzas leva a uma diminuição da eficiência, devido ao aumento do consumo de oxigénio, que é necessário para derreter as cinzas, e pela perda de calor com a saída das cinzas do reactor, que não pode ser plenamente recuperado.
Logo, essa tecnologia apresenta o melhor desempenho com carvões betuminosos de menor teor de cinzas. Carvões de qualidades inferiores também podem ser gaseificados, mas o aumento da demanda de oxigénio e a diminuição da cold gas efficiency tornam a operação menos económica. A gaseificação de biomassa pode criar problemas por causa do carácter agressivo das suas cinzas.
3. CONCLUSÃO
Findado o trabalho, constatou-se que o processo de gaseificação, é uma tecnologia amiga do ambiente é recomendável de se usar, pelas seguintes razoes:
· É a tecnologia mais limpa para processamento de carvão Mineral. Possui a menor geração de SOx, NOx, resíduos sólidos e efluentes líquidos;
· É uma tecnologia já bem consolidada com múltiplos fornecedores;
· Flexibilidade de aceitar diversos combustíveis;
· Flexibilidade de gerar diversos produtos e aplicações.
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
· WILLIAMS, A. et al. (2000) Combustion and gasification of coal: Applied energy technology series. Nova York:Taylor& Francis,.
· VAMVUKA, D.(1999) Gasification of coal. Energy exploration and exploitation, v. 17, p. 515-581,.
· PLANO DECENAL DE EXPANSÃO DE ENERGIA 2020. Ministério de Minas e Energia. Empresa de Pesquisa Energética. Brasília, 2011.
· MIURA, K.; HASHIMOTO, K.; SILVESTON, P.L. (1989) Factors affecting the reactivity of coal chars during gasification, and indices representing reactivity. Fuel, V. 68, p. 1461-1475,.
· GARCIA, R. (2002) Combustíveis e combustão industrial. Rio De Janeiro: Editora Interciencia Ltda.,.
· Goldemberg J; Lucon O (2007) Energia e meio ambiente no Brasil.
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