trabalho bagaÇo rev_02
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Gaseificaça o do Bagaço de Cana de Açú car
Termoprocessamento e Reciclagem de Rejeitos Sólidos
Prof: Jo Dweck
Alunos:Natália Silveira
Thiago Felippe Ribeiro
Fevereiro, 2014
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Sumário
1. Introdução .............................................................................................................................. 3
A Utilização do Bagaço de Cana como Insumo Energético ................................................... 6
Secagem do Bagaço para Armazenamento ...................................................................... 7
Queima de Bagaço para Geração de Energia Elétrica ...................................................... 8
2. As tecnologias para conversão do bagaço de cana de açúcar em energia........................... 10
A tecnologia de gaseificação como alternativa de conversão ....................................... 13
Tecnologias de produção disponíveis no Brasil .............................................................. 15
Principais opções de reatores de gaseificação ............................................................... 17
3. Estudos de Caso: ................................................................................................................... 25
Organizações de Pesquisas de Gaseificação no Mundo...................................................... 25
Hawai Biomass Gasification Project ............................................................................... 28
KTH (Kungl Tekniska Hogskolan, the Royal Institute of Technology) ............................. 29
Organizações de Pesquisas de Gaseificação no Brasil ........................................................ 29
UNICAMP - Universidade de Campinas: ......................................................................... 29
IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas: ...................................................................... 31
UFPA - Universidade Federal do Pará............................................................................. 39
EFEI – Universidade Federal de Itajubá .......................................................................... 40
4. Conclusão .............................................................................................................................. 41
5. Bibliografia ............................................................................................................................ 43
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Introdução
Pode-se definir a biomassa como todo material renovável produzido direta ou
indiretamente pelos vegetais através do processo de fotossíntese.
São várias as razões que tornam atrativa a utilização da biomassa para fins
energéticos. Dentre elas, podemos citar:
A biomassa constitui uma riqueza natural própria e renovável, com
elevada disponibilidade e relativa facilidade de uso.
Representa uma fonte renovável e segura de energia não vinculada
diretamente às variações de preços e suprimentos dos combustíveis líquidos
importados.
O uso da biomassa como energia permite a países em desenvolvimento
diminuir suas importações de petróleo, contribuindo assim, para melhorar
significativamente o chamado “balanço de pagamento”.
A biomassa é do ponto de vista energético, um combustível
substancialmente limpo quando comparada com os combustíveis fósseis. A sua
conversão termoquímica contribui na melhora do balanço de CO2 e de óxidos
de nitrogênio e de enxofre na atmosfera.
Entre os principais tipos de biomassa geralmente considerados como possíveis
fontes de energia, temos: resíduos agrícolas e florestais, madeira e resíduos de
madeira, resíduos comerciais e domésticos e resíduos de processos industriais.O
bagaço de cana de açúcar
O bagaço de cana de açúcar constitui, após a madeira, o tipo de biomassa com
maior importância e potencial como combustível. O grande desenvolvimento da
agroindústria canavieira, propiciou um incremento acelerado na produção e industrial,
de cerca de 1.104x106 toneladas de cana, no mundo. No Brasil, esta quantidade está
hoje em torno de 250x106 a 271x106 toneladas/ano.safra, sendo considerado por isto
o maior produtor de cana de açúcar no mundo e, ocupando aproximadamente 25% da
produção mundial.
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Nas condições atuais das usinas, isto significaria produzir em torno de 62,5x106 a
67,5x106 toneladas de bagaço de cana com 50% de umidade (base úmida).
Considerando que aproximadamente 5% desta quantidade é comercializada pelas
usinas, representaria em torno de 3x106 a 3,4x106 toneladas de bagaço de cana
excedente. Esta quantidade excedente é em sua maioria, comercializada como
combustível industrial.
Dos combustíveis disponíveis no mercado brasileiro, o bagaço de cana de açúcar
é o que apresenta o menor custo por gigacalorias, quando comparado com outros
energéticos disponíveis, como, por exemplo a madeira e os derivados do petróleo.
A composição média da cana de açúcar pode ser considerada como sendo a
seguinte:
(CORTEZ et alii, 1992)
Tabela 1 - Composição Média da Cana de Açúcar
Quanto ao seu valor energético, em tese, pode-se considerar que 1 tonelada de
cana contenha cerca de 392.000 kcal em 70 litros de álcool, além de 560.000 kcal em
250 kg de bagaço úmido e 60.000 kcal em 11.830 litros de biogás obtidos através da
biodigestão do vinhoto. Com isso, pode-se dizer que há mais energia na cana de açúcar
e em seus derivados do que se pode conseguir com o álcool isoladamente.
Umas das características que compõem o setor sucroalcooleiro são os grandes
montantes envolvidos, assim como a sua interação com os demais segmentos
industriais. O esquema ilustrado na Figura 1 a seguir, mostra à cadeia produtiva desse
setor, assim como, a valorização dos seus subprodutos, através de um espectro de
atuação bastante amplo.
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Figura 1 - Setor sucroalcooleiro. Fonte: Maria Cristina Pellegrini (2002)
Em termos energéticos, a partir da cana de açúcar, além da produção do álcool
combustível e do açúcar, tem-se também a geração de energia elétrica através da
queima do bagaço. Isto é possível, principalmente, devido aos grandes montantes de
cana de açúcar que são processados dentro do setor sucroalcooleiro, tornando
significativa a quantidade de bagaço, que é representada por cerca de 30% em relação
a quantidade de cana, com 50% de umidade e Poder Calorífico médio de 7,74 MJ/kg
(1850 kcal/kg) (COELHO, 1999), e que é utilizado na usina como combustível, sendo
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seu excedente comercializado para outras indústrias, como por exemplo, a de
alimentos e bebidas.
As tecnologias de gaseificação e/ou pirólise, principalmente em reatores de leito
fluidizado para instalações de pequeno e médio porte, poderiam tornar possível a
valorização do bagaço de cana. Já em instalações de grande porte, uma possível via de
valorização e de criação de novos mercados para o bagaço de cana de açúcar é tornar
viável, técnica e economicamente, a tecnologia alternativa de gaseificação em leito
fluidizado com fins de cogeração, os conhecidos sistemas BIG/GT-CC (Biomass
Integrated Gasifiers/ Gas Turbine-Combined Cycles).
A Utilização do Bagaço de Cana como Insumo Energético
O bagaço de cana tem sido historicamente usado como combustível nas usinas,
pelo menos desde o início deste século, quando passou a substituir a lenha nas
caldeiras.
Com os avanços tecnológicos do setor sucroalcooleiro, o bagaço passou a ser
mais valorizado como fonte de energia, respondendo pelas necessidades energéticas
da própria usina, passando depois, a ser comercializado para outras usinas ou
indústrias. Atualmente, a maioria das usinas vende o bagaço excedente a um preço
variável entre 4,00 R$/t e 14 R$/t dependendo da localização da usina em relação aos
potenciais compradores. O mercado, de um modo geral, paga pela tonelada do bagaço
in natura o mesmo preço por tonelada de cana. Mesmo assim, a utilização do bagaço
como combustível para fins energéticos passa pelo equacionamento dos seus maiores
problemas:
Baixa densidade energética: em torno de 214.800 kcal/m3;
Umidade: 50%;
Armazenamento difícil;
Transporte caro;
Decomposição ao longo do tempo.
Desta forma, em virtude do caráter sazonal da indústria sucroalcooleira, o
fornecimento de bagaço excedente para fins industriais não pode ser realizado de
forma direta contínua, havendo a necessidade da formação de estoques reguladores, a
fim de suprir a sua carência no período da entressafra.
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Quando se armazena o bagaço, o açúcar residual aliado ao teor de umidade e à
ação microbiana estimula uma fermentação exotérmica o que afeta diretamente as
características do material, deteriorando-o e, muitas vezes, provocando uma
combustão espontânea não desejável.
O bagaço de cana, portanto, necessita passar por um beneficiamento que
viabilize sua estocagem e, consequentemente, melhore o seu aproveitamento como
insumo energético ou como matéria-prima industrial.
Secagem do Bagaço para Armazenamento
Um fator muito importante quando se armazena o bagaço é reduzir seu teor de
umidade, que normalmente é de 50%, e que pode ser conseguido através de duas vias
principais:
Utilização de uma fonte de energia disponível nas destilarias e usinas,
Enfardamento com secagem, que está intimamente relacionado com a
compactação do material.
O enfardamento é a prática mais difundida quando se objetiva facilitar o
transporte e/ou reduzir a área das instalações para estocagem do bagaço. Para tanto,
existem dois processos de enfardamento: o normal e o com secagem.
No processo normal não há necessidade de uma pré-secagem, pois o bagaço in
natura é compactado através de prensas hidráulicas em fardos de dimensões
apropriadas como por exemplo 0,7 x 1,0 x 1,0 m. A densidade do fardo varia de 400 a
600 kg/m3. Embora o teor de umidade permaneça alto, pode sofrer uma redução
durante o período de estocagem através da secagem natural com o ar ambiente.
O empilhamento dos fardos pode ser realizado em forma cúbica ou piramidal,
com espaçamento suficiente para permitir a passagem de empilhadeiras e a ventilação
entre os mesmos, sendo que muitas enfardadeiras fazem um furo através do fardo,
visando aumentar a velocidade de secagem. O princípio em que se baseia esta técnica
é o da construção de uma grande pilha de bagaço, onde a deterioração da camada
externa protege as camadas internas. As perdas totais estão em torno de 15%. Neste
sistema é possível uma mecanização completa do manuseio do bagaço, tornando o
custo operacional bastante baixo.
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No processo que utiliza secagem, o fardo é submetido a um período no qual o
uso controlado e racional da fermentação natural e a aeração permitem reduzir o teor
de umidade de 50 para 20% em apenas 20 dias. A densidade do fardo permanece em
torno de 375 kg/m3. Os fardos podem ser estocados ao ar livre, sendo simplesmente
protegidos por uma lona plástica, mantendo suas especificações e características
inalteradas e sem deterioração, por longos períodos de estocagem.
Entre os possíveis sistemas de secagem do bagaço de cana, pode-se relacionar as
seguintes alternativas:
Secadores que utilizam os gases de exaustão de caldeiras como meio de
aquecimento;
Secadores munidos de gerador autônomo de energia (geralmente,
queima de resíduos da biomassa);
Sistema misto, utilizando gases a baixa temperatura (130 – 150oC) que
recebem uma complementação por parte de uma fonte autônoma de energia,
propiciando a elevação da temperatura dos mesmos.
As técnicas de armazenamento variam em função da utilização a ser dada ao
bagaço, ou seja:
In natura - quando a usina ou a indústria utiliza o bagaço durante o
período sazonal e, portanto, não requer procedimentos de estocagem. Além
disso, a indústria que utiliza o bagaço in natura deve localizar-se o mais
próximo possível da usina ou destilaria para facilitar o transporte, e dessa
forma, minimizar os gastos;
Com secagem - quando a usina tem excedente de bagaço e o utiliza fora
do período sazonal, ou vende esse bagaço para outras indústrias que o utilizam
em seus processos, como: as de papel e celulose, alimentícias e de bebidas.
Outras técnicas também empregadas para aumentar a eficiência na utilização do
bagaço são a peletização e a briquetagem.
Queima de Bagaço para Geração de Energia Elétrica
Como mencionado anteriormente, entre as diversas formas de aproveitamento
do bagaço de cana, destaca-se o seu valor como combustível em substituição aos
derivados de petróleo, especialmente óleo combustível, e da lenha. O bagaço
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proporciona às empresas sucroalcooleiras o privilégio da auto suficiência de energia
térmica e da possibilidade de auto suficiência em energia elétrica, condições essas
inexistentes na maioria das atividades industriais.
O bagaço de cana, dentre as biomassas, é aquele que reúne os melhores
atributos econômicos para ser industrializado e competir comercialmente com o óleo
combustível em virtude das seguintes vantagens:
Ter uma lavoura organizada, cujos custos são debitados no produto
nobre: açúcar e/ou álcool;
Ter todo o sistema de transporte campo-indústria organizado e
correndo por conta do mesmo produto nobre;
Ser produzido em grandes quantidades, concentradas em um ponto,
que o libera semi beneficiado, graças ao trabalho de moagem.
Uma das características fundamentais do bagaço é o seu poder calorífico (Poder
Calorífico médio 1850 kcal/kg), o qual é função do grau de umidade (50%) e do teor de
açúcar residual. Como o teor de açúcar é normalmente baixo, tem-se a umidade como
principal fator limitante do poder calorífico. No Estado de São Paulo e, em menor
escala, no restante do país, praticamente todas as indústrias do setor sucroalcooleiro
são autosuficientes em virtude da grande quantidade de bagaço gerado (ANEEL, 1998).
Entretanto, pelos dados existentes, ainda há uma grande parte do bagaço que não é
usada para geração de eletricidade apesar de não existirem estatísticas confiáveis com
relação à quantidade e destino do bagaço vendido pelas usinas.
A umidade do bagaço, portanto, interfere diretamente no rendimento da
combustão, como citado anteriormente, o que se constata pela temperatura de
ignição do bagaço, que está entre 500oC e 600oC com 50% de umidade, caindo para
300oC a 400oC quando a umidade está em torno de 35% a 40%. Com baixo teor de
umidade, a etapa de secagem na fornalha se dá em tempo menor, representando uma
maior velocidade de queima. A temperatura da chama também é sensível ao nível de
umidade, ficando entre 850oC e 920oC com 50% de umidade, mas chegando acima de
1.100oC com 35% de umidade, aumentando consideravelmente a transmissão de calor
por radiação, condução e convecção nos tubos e recuperadores que compõem uma
caldeira.
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Apesar de o bagaço apresentar um alto teor de umidade, é responsável pela boa
ignição do resíduo por possuir um alto teor de voláteis, da ordem de 87% em base
seca. Os voláteis do bagaço representam 78% do poder calorífico e consomem 74% do
ar de combustão.
As tecnologias para conversão do bagaço de cana de açúcar em energia
A quantidade de bagaço produzida pelo setor sucroalcooleiro é extraordinária e,
mesmo assim, milhões de toneladas não são utilizadas como combustível, tendo,
provavelmente, outro destino como por exemplo: sua utilização como matéria-prima
para a produção de celulose, chapas de aglomerado, ração animal, produtos químicos
de alto valor comercial como éter etílico, ácido acético, acetato de etila e dietilamina,
além de várias possibilidades ainda sendo pesquisadas como a sua aplicação para
obtenção de plástico biodegradável, adesivos e fibras sintéticas. (UNICA, 2002).
Dependendo da tecnologia utilizada, dentre aquelas comercialmente viabilizadas
no país, estima-se que o bagaço possa gerar cerca de 100 kWh/tc, o que representa
um enorme potencial de energia elétrica produzida, principalmente, no período da
safra.
A produção de energia elétrica a partir da queima do bagaço de cana, teve seu
impulso durante a 1ª crise do petróleo em 1973, quando começaram a surgir as
primeiras unidades de cogeração através do acoplamento de turbinas de
contrapressão no circuito de vapor das indústrias do setor sucroalcooleiro. Por fazer
parte integrante do processo produtivo da usina, este tipo de alternativa se tornou
limitada sob o ponto de vista da comercialização da energia elétrica excedente, motivo
pelo qual, os empreendimentos atuais passaram a adotar o conceito de turbina de
condensação com operação independente do processo de industrialização da cana de
açúcar.
O processo de cogeração passou a ser considerado como uma alternativa
complementar em função da significativa quantidade de energia que pode ser injetada
na rede elétrica. E para o processo de cogeração, podemos utilizar as seguintes
tecnologias: gaseificação, combustão e pirólise.
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Na Figura 2 são apresentados os diferentes processos tecnológicos alternativos
para se realizar a conversão termoquímica do combustível sólido, que são:
gaseificação, pirólise e liquefação, além dos respectivos produtos primários e
secundários.
Figura 2 - Tecnologias alternativas para a conversão energética dos combustíveis sólidos. Elaboração própria
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A gaseificação é um processo de conversão termoquímica que ocorre entre o
oxigênio e as substâncias que possuem carbono em sua constituição (carvão, madeira,
etc), para a obtenção de uma mistura de gases denominada syngas. Nesse processo, o
carbono sofre oxidação térmica com o oxigênio utilizado em quantidades inferiores ao
estequiometricamente necessário para a combustão completa. Por este motivo, o
syngas gerado é constituído por componentes gasosos ainda passíveis de combustão,
principalmente o hidrogênio e o monóxido de carbono. As reações químicas descritas,
a seguir, ocorrem tipicamente nos processos de gaseificação. Além do fornecimento de
carbono e ar, pode-se utilizar como matéria prima o vapor de água (reações de 3 a 5)
para o favorecimento da geração de H2.
Distingue-se a gaseificação da combustão e da pirólise tanto pela quantidade de
oxidante utilizada quanto pelos produtos de interesse gerados. Enquanto a pirólise é
efetuada sem oxidante, e a combustão, com excesso desse produto, a gaseificação usa
quantidades abaixo do estequiometricamente necessário em razão da quantidade de
carbono presente nas reações. Como produtos de interesse, a pirólise produz
compostos líquidos, já a combustão é efetuada para aproveitamento de calor, gerando
subprodutos gasosos, essencialmente gás carbônico e vapor de água, enquanto a
gaseificação visa a obtenção de vetores energéticos gasosos, principalmente H2 e CO
do syngas.
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O syngas é utilizado na geração de energia elétrica como combustível para
produção de vapor em caldeiras de processos termoelétricos ou na alimentação direta
de grupos geradores baseados em motores de combustão interna. As reações de
combustão dos principais componentes do syngas, são representadas abaixo:
No Brasil, há um crescente interesse no desenvolvimento de processos de
gaseificação de biomassas de resíduos agrícolas, em particular aos provenientes do
setor sucroalcooleiro por sua abundância. Os resíduos lignocelulósicos da cana-de-
açúcar são classificados, segundo sua origem, em:
Bagaço: resíduo sólido obtido no processamento industrial, após
operação de moagem;
Palhiço: denominação genérica dos resíduos gerados na colheita, tais
como ponteiros, folhas verdes e palhas propriamente ditas.
Ambos são classificados como sólidos não inertes, classe IIA (ABNT, 2004). Isso
significa que podem ser aproveitados como biomassa em transformações físicas ou
químicas, não constituindo rejeitos tóxicos ou que necessitem de disposição
controlada.
Apenas um terço da energia total disponível na cana-de-açúcar é aproveitada e
convertida em etanol, estando o restante do potencial energético do vegetal presente
no bagaço e no palhiço. Entretanto, apesar da possibilidade de uso desses rejeitos,
atualmente 93% do bagaço é utilizado de modo pouco eficiente na queima em
caldeiras para geração de vapor.
A tecnologia de gaseificação como alternativa de conversão
Entre as tecnologias apresentadas, a gaseificação, ao transformar o combustível
sólido em gás também combustível, amplia consideravelmente o seu campo de
aplicações e consequentemente, o seu potencial de substituição de derivados do
petróleo, além de ter melhores características de transporte, melhor eficiência de
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conversão energética e que pode ser utilizado como matéria prima de outros
processos.
Em aplicações industriais, a gaseificação apresenta diversas vantagens em
relação a queima direta ou combustão, entre elas temos:
O combustível gasoso pode ser convenientemente distribuído por
tubulação;
Pouca ou nenhuma modificação é necessária nas câmaras de combustão
quando um combustível líquido derivado de petróleo é substituído;
Obtém-se uma chama de alta temperatura, estável e limpa, sem
necessidade de equipamentos antipoluição após a queima;
O gás de gaseificação pode ser utilizado em vários tipos de fornos e
aquecedores industriais, nos locais onde limitações de espaço ou do processo
impedem a instalação de fornalhas;
A eficiência global da gaseificação/combustão do gás pode, em alguns
casos, ser superior à combustão direta, uma vez que a combustão direta de
algumas biomassas tem a eficiência reduzida pelo grande excesso de ar
necessário para obter uma queima total.
Ao substituir derivados de petróleo, o gás elimina os problemas de
corrosão, poluição e contaminação do produto causados pelo enxofre e
partículas solidas de carbono livre, e
A geração de eletricidade em diversas escalas pode ser realizada sem a
necessidade de um ciclo de vapor (ciclo de Rankine), ocorrendo simplesmente
pela queima do gás num motor de combustão interna (pequena escala), ou em
uma turbina a gás (media e grande escala).
Segundo alguns autores os sistemas compostos de gaseificação-combustão
podem possuir ainda certas vantagens sobre o sistema de combustão direta, pois,
geralmente, a conversão do carbono sólido residual é maior, a fornalha trabalha com
urn combustível mais limpo e os pirolenhosos e alcatrões produzidos durante a
gaseificação podem ser transformados na própria fornalha.
Porem, a gaseificação possui algumas desvantagens técnicas que devem ser
levadas em consideração, entre elas temos:
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A tecnologia é mais complicada que a queima direta e deve-se ter
especial atenção com os aspectos de segurança, uma vez que os gases
produzidos são tóxicos. Em geral a maioria dos problemas ocorrem no
manuseio do combustível, no sistema de alimentação e na limpeza dos gases.
Do ponto de vista operacional, em instalações de gaseificação trabalha-se com
operações complexas.
Tecnologias de produção disponíveis no Brasil
Planejamento e procedimentos estão sendo disponibilizados para cada vez mais
utilizar a cana crua nos processos de cogeração. Os modelos mais recentemente
propostos são apresentados na figura 3.
Figura 3 - Sistemas selecionados para colheita da cana crua.
Segundo Walter (1994) existem dois tipos de ciclos geradores de energia elétrica:
Rankine: ciclo de conversão termodinâmica que emprega turbina a
vapor, cujo objetivo é a geração de eletricidade ou potência mecânica para
acionamento de equipamentos, muito usado em usinas de açúcar e álcool. Com
eficiência média de 45%.
Combinado: Quando se associa dois ciclos de potência em série, ou seja,
o rejeito de um deles é insumo do outro, objetivando o uso do insumo
energético, consumido pelo primeiro, para melhorar o rendimento global dos
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dois ciclos, usualmente, aplicado em termoelétricas. Com eficiência média de
80%.
Ainda de acordo com Walter (1994), no Brasil existem apenas dois sistemas
de combustão da biomassa em leito fluidizado instalados nas indústrias Aracruz e
Klabin. Entretanto a maior parte das empresas sucroalcooleiras utiliza tecnologias
ineficientes para co-geração. Como as caldeiras, onde é utilizado o bagaço de cana
como combustível gerando vapor para turbinas, que podem se transformar em
eletricidade ou movimentar moendas. O uso de caldeiras com partida a frio não é
aconselhável, pois esta requer uma programação antecipada de 10 horas o que
torna inviável seu uso imediato em condições de emergência.
Para resolver esta questão de eficiência do aproveitamento energético, Balbo
e Padovani Neto (1987) fizeram uma proposta de formulação do sistema BIG/STIG
– Biomass Integrated Gasifier / steam Injected gas Turbine (Gaseificação integrada
de biomassa associada a turbina a gás com injeção de vapor) para uma indústria
sucroalcooleira. Este sistema é apresentado na figura 4.
Figura 4 - Sistema BIG/STIG – proposto para cogeração em usina sucroalcooleira
Na figura 4, o gaseificador de leito fluidizado, pressurizado ou não, (1), é
alimentado com bagaço de cana, mais o agente de gaseificação (ar + vapor),
obtendo como resultado da conversão termoquímica um gás combustível de baixo
poder calorífico, que é composto por CO, H2, CH4, CO2, O2 e hidrocarbonetos. O
sistema de limpeza do gás quente obtido (2) permite eliminar através do emprego
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de catalisadores, ciclones e filtros, os materiais particulados, os compostos
alcalinos e o alcatrão, que afetam a operação da turbina a gás, pois causam erosão
e corrosão das pás da turbina. O gás limpo é conduzido para uma câmara de
combustão (3) da turbina a gás (4), onde se injeta, também vapor, o que permite a
elevação da potência de eixo, em função do aumento mássico e da injeção de um
fluido de maior calor específico do que o dos gases de combustão. Outra vantagem
disso, está na diminuição do nível de emissores de NOx da turbina a gás.Os gases
quentes (500 a 550ºC) após saírem da turbina a gás, são conduzidos até uma
caldeira de recuperação de calor (5), onde se produz vapor para o gaseificador,
para a injeção na câmara de combustão da turbina a gás (o que provoca um
aumento de sua potência e rendimento no ciclo) e para o processo tecnológico de
produção de açúcar e álcool. Mas esta última tecnologia denominada de ciclo
combinado possui alto custo e por isto não é viável a associação da tecnologia BIG
com o ciclo combinado.
A principal vantagem desta tecnologia na indústria sucroalcooleira é a sua
substancial economia na demanda de vapor de processo, de 480 Kg vapor/tc das
atuais usinas e destilarias, para menos de 280Kg vapor/tc. Isto é possível porque
parte do vapor produzido na caldeira de recuperação de calor (cerca de 30% de
400Kg vapor/tc), destina-se ao processo de gaseificação do bagaço, restando 70%
do vapor produzido parao processo industrial, o que elevea sua disponibilidade
para a produção de energia elétrica excedente.
Principais opções de reatores de gaseificação
Reatores de leito fixo
Os gaseificadores com reatores de leito fixo podem ser classificados, em dois
tipos: o gaseificador contracorrente e o gaseificador concorrente. As principais
características são:
Podem ser atmosféricos ou pressurizados (até 3 MPa);
São sistemas simples e eficientes trabalhando com combustíveis de alta
densidade e granulometria não-fina (10-100 mm); Sua eficiência energética
pode variar na faixa de 60-90 %;
Tem uma baixa potência volumétrica, kJ/m3-s;
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Geralmente são utilizados para gaseificar madeira e carvão.
Na Figura 5-(a) mostra-se o gaseificador de leito fixo mais simples, o
contracorrente. Este tipo de gaseificador tem a vantagem de pré-aquecer a carga de
combustível que desce ao reator pelo gás ascendente, garantindo condições para a
obtenção de uma elevada eficiência térmica e urn gás com poder calorifico inferior da
ordem de 6,28 MJ/Nm3.
Os gases produzidos neste gaseificador arrastam uma grande quantidade de
particulados sólidos, alcatrões e outros produtos da pirólise, uma vez que o gás gerado
não passa pela zona de combustão e o alcatrão não é craqueado. Isto inibe a utilização
direta do gás em motores de combustão interna, sendo limitada s6 para sistemas onde
estes são queimados. A temperatura de saída dos gases do gaseificador encontra-se na
faixa de 250°C e 400°C, variando em função da temperatura na zona de oxidação,
altura do leito de material sobre a zona de pirólise e a umidade do combustível.
Figura 5 - Gaseificadores de leito fixo
Dentre as principais vantagens dos gaseificadores contracorrentes, pode-se citar:
Simplicidade operacional e habilidade de gaseificar materiais com elevado
teor de água e material inorgânico, como lodo residual do tratamento de esgoto;
Potencial de operar 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);
As principais desvantagens são:
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O gás gerado normalmente contem de 10 a 20 % do alcatrão gerado na
pirólise do combustível, com uma concentração da ordem de 100 g/Nm3. Estes
alcatrões, no entanto, queimam bem em processos de combustão direta.
No caso de aplicações em motores de combustão interna, turbinas ou para
geração de gás de síntese, o alcatrão deverá ser removido;
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;
O tipo de gaseificador apresentado na figura 5 (b), as zonas de combustão e de
redução estão posicionadas de forma oposta aos gaseificadores contracorrente. 0 gás
flui no mesmo sentido descendente que o combustível sólido. Esta característica de
projeto deste tipo de gaseificador levou em conta a possibilidade de converter até 99,9
% do alcatrão liberado pelo combustível, evitando a sua possível condensação em
tubulações e outras partes dos motores. Isso ocorre, pois em regime contacorrente, os
materiais com umidade elevada (acima de 20 %) apresentam dificuldades de aquecimento
e secagem, devido à evaporação da água contida no interior das partículas. Dessa forma, a
pirolise é retarda ou até impede, levando à formação de gases com alto teor de alcatrão.
Contudo, nesta configuração, o material sólido localizado logo acima desta região sofre um
preaquecimento e secagem, principalmente por troca de calor por radiação com a região
de pirólise flamejante. Dessa forma, conforme a biomassa atinge uma determinada
temperatura (acima de 200 °C) ela começa a liberar voláteis combustíveis que, ao entrar
em ignição com o ar descendente, forma uma chama em volta das partículas, que passam
a queimar mais intensamente, devido às trocas de calor com a própria chama, até o
esgotamento de toda a matéria volátil, restando de 5 a 15 % de carvão vegetal.
Os alcatrões, voláteis e pirolenhosos são obrigados a passar pela zona de
combustão do
gaseificador, onde, sob determinadas condições de operação controladas, são
craqueados. Assim, estes sistemas apresentam um estrangulamento (garganta) ao
nível da zona de combustão, onde são posicionados os bicos para a alimentação do ar.
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Nesta região cria-se então uma zona de elevada temperatura que permite a conversão
dos alcatrões que passam por ela.
Motivados pela necessidade de produzir energia elétrica a partir da biomassa em
pequena escala, na faixa de 3,7 a 100 kW, o Combustion, Gasification and Propulsion
Laboratory ( CGPL ), do Indian Institute of Science, em Bangalore, apresentaram uma
variante do gaseificador concorrente visando evitar problemas relacionados com a
fusão das cinzas do combustível como consequências das elevadas temperaturas na
zona de combustão.
Figura 6 - Esquema do reator de topo aberto do Indian Institute of Science
Na Figura 6 é mostrado um esquema deste reator. O gaseificador é conhecido
como gaseificador de topo aberto, uma vez que o combustível e o ar para a
gaseificação são supridos pela parte superior do reator. O sistema não tem
estrangulamento ao nível da zona de combustão e sim entrada de ar lateral através de
bicos de ar situados a 1/3 da altura do reator.
Reatores de leito fluidizado
A fluidização baseia-se fundamentalmente na circulação de sólidos juntamente com
um fluido (gás ou líquido) impedindo a existência de gradientes de temperatura, de pontos
muito ativos ou de regiões estagnadas no leito; proporcionando também um maior contato
superficial entre sólido e fluido, favorecendo a transferência de massa e calor.
21
Ao passar um gás através de um leito de material particulado, como indicado na
Figura 7, observa-se somente uma elevação de pressão na grelha. Elevando-se
continuamente a vazão do gás, se obtém uma elevação também contínua da pressão até
atingirmos uma velocidade, denominada velocidade de mínima fluidização (Umf) na qual a
força peso das partículas se iguala à força de arraste do gás. Neste ponto as partículas
começam a se descolar uma das outras e ficam suspensas, passando a se comportar como
um líquido. Incrementos adicionais de velocidade provocam o surgimento de bolhas de gás
no interior da suspensão, criando duas fases. Uma constituída somente de gás, na forma de
bolhas, e outra, denominada emulsão, composta de gás e material particulado fluidizado.
As bolhas, ao subirem, aumentam de tamanho, por redução de pressão e
coalescimento com outras bolhas, arrastando grande quantidade de material particulado na
sua subida. São elas as responsáveis pela grande taxa de circulação de sólidos no leito. A
elevação continuada da vazão, nesta condição, provoca somente o aumento do número e
tamanho das bolhas, sem elevar a pressão na base da grelha. Quando a velocidade do gás
atinge a velocidade terminal das partículas (Ut) começa a haver um arraste do material mais
fino, diminuindo a altura do leito e a pressão na sua base. No casos destas partículas
arrastadas serem coletadas em um ciclone, ou outro dispositivo semelhante, e serem
retornadas ao leito, têm-se um leito fluidizado circulante. Quando não há este retorno, tem-
se um leito de arraste.
22
Figura 7 - Evolução da Pressão na Base de um Leito de Material Particulado com o Aumento da Velocidade de Fluidização
Reatores de 1ª geração
São os leitos fluidizados simples, chamados também na literatura de "The
bubbling bed" ou de leito borbulhante, baseados no esquema mostrado na Figura 8.
Possuem as seguintes características:
As partículas sólidas elutriadas (arrastadas pelo fluxo de gás) do leito
não recirculam novamente;
Tem baixa conversão de carbono e menor eficiência, devido ao fato
anterior, são maiores as perdas por carbono não queimado como fuligem no
gás de saída ou no alcatrão produzido e não polimeralizado.
23
Figura 8 - Esquema de um reator de leito fluidizado de primeira geração
Neste tipo de reator, as partículas do combustível são mantidas em suspensão
num leito de material inerte (areia, alumina, dolomita etc) fluidizado pelo agente de
gaseificação (ar, oxigênio, ar enriquecido com oxigênio etc.). O combustível é
alimentado diretamente na zona do leito, no entanto existem outras variantes que
alimentam o combustível a determinada distância acima do leito ou pelo topo do
reator. Neste tipo de reator para gaseificação trabalha-se com velocidade superficial
do gás numa faixa de valores para os quais não é passível, teoricamente, atingir o
transporte pneumático das partículas do leito.
Reatores de 2ª geração:
Os reatores de segunda geração são os pertencentes ao grupo conhecido como
reatores de leito circulante. Na Figura 9 é mostrado um esquema básico e simples de
um reator de leito fluidizado circulante. Possuem as seguintes características:
As partículas só1idas elutriadas do leito recirculam novamente;
O sistema opera em regime de leito fluidizado rápido com elevadas
taxas de recirculação do material do leito. E um regime intermediário entre o
leito borbulhante e o regime de transporte pneumático;
Devido à recirculação, o tempo de residência das partículas de
combustível no leito é maior, sendo maior a conversão de carbono (>95% para
algumas instalações);
24
Por isso, a eficiência do gaseificador é maior, além de garantir sistemas
de maiores capacidades especificas, kg/m3h.
Figura 9 - Esquema de um reator de leito fluidizado circulante
Sistema de alimentação de combustível para reatores de leito fluidizado
Basicamente existem 4 tipos fundamentais de sistemas de alimentação de
combustível a serem utilizados em reatores de leito fluidizado. Entre eles, o sistema de
rosca-sem-fim é o mais comumente utilizado nas instalações de gaseificação em leito
fluidizado, mesmo quando combinado com outros sistemas, por exemplo, o sistema
pneumático.
Os transportadores de rosca-sem-fim baseiam-se na alimentação do combustível
através do deslocamento positivo da rosca. Podem ser construídos de passo variável,
procurando criar um selo de pressão que evite vazamentos de gás a partir do reator.
Alguns projetos deste tipo de transportador tem incorporado um sistema de
resfriamento da rosca na região perto da descarga quente do alimentador, procurando
evitar a degradação térmica do combustível e o aparecimento de problemas de
operação.
A biomassa fibrosa, como o bagaço de cana-de-açúcar, é de difícil alimentação.
Para a alimentação destes combustíveis precisa-se da remoção constante do mesmo
no silo para garantir a sua queda. A alimentação do combustível deve ser uniforme
para manter constante a composição do gás e a temperatura do leito. Uma alteração
na taxa de alimentação do combustível modifica rapidamente a composição do gás e a
temperatura do leito.
25
No caso do bagaço de cana-de-açúcar, a experiência tem demonstrado que é
muito difícil alimentá-lo em sistemas de rosca-sem-fim com teores de umidade acima
de 10% (base úmida). A experiência prática tem demonstrado que a realização do
projeto de um sistema de alimentação tipo rosca-sem-fim, visando seu uso em
instalações de combustão e gaseificação em leito fluidizado, deve constituir uma tarefa
a ser efetuada com extremo cuidado. A falta de informações, ou mesmo informações
erradas com relação às variáveis que participam nos cálculos, influi de forma
significativa no valor da taxa de alimentação da rosca quando "fria".
Figura 10 - Sistemas de alimentação para reatores de leito fluidizado. (a) com válvula rotativa, (b) sem válvula rotativ
Estudos de Caso:
Nesta seção, visa-se apresentar alguns estudos de caso de unidades que utilizam
a tecnologia da gaseificação ao redor do mundo, com maior foco para o cenário
brasileiro.
Como será possível notar, apesar da gaseificação do carvão já ser uma tecnologia
altamente difundida, a aplicação para biomassa ainda é um tópico em estudo e
majoritariamente conta com fomentos de pesquisa e desenvolvimento.
Organizações de Pesquisas de Gaseificação no Mundo
A tecnologia de gaseificação de biomassa é um tópico de estudo em várias
instituições de pesquisa no mundo. Algumas das pesquisas são orientadas deste o
início quanto a utilização da biomassa a ser empregada como fonte de processamento,
enquanto outras adotam um caráter mais generalista aos seus projetos. Dentre as
pesquisas de maior repercussão nos últimos anos, pode citar:
26
27
28
Hawai Biomass Gasification Project
Descrição / Finalidade: Unidade de demonstração de gaseificador alimentado com
bagaço de cana e madeira nos EUA.
O objetivo desse projeto era a elevação da escala do gaseificador desenvolvido pelo
IGT (IGT RENUGAS), de 2 MW de potência térmica, para 20 MW. Essa unidade de
demonstração deveria operar sendo alimentada com bagaço de cana e madeira. O
gaseificador foi projetado para operar tanto com injeção de ar quanto oxigênio, a pressões
de até 2,07 MPa e com temperaturas dos gases à saída na faixa de 850 a 900ºC.
Esse projeto era o único entre os projetos de desenvolvimento de maior porte a
estudar a gaseificação do bagaço de cana. O projeto compreendia três fases: (1) gaseificação
de biomassa, (2) geração de eletricidade, (3) síntese do metanol. A unidade está construída
em Paia, na ilha de Maui, no Hawai, em uma fábrica de açúcar da Hawaiian Commercial
and Sugar Company. Em 1999 o projeto encontrava-se definitivamente paralisado, em
função de dificuldades técnicas principalmente relativas à alimentação do bagaço de cana e
limpeza dos gases.
Figura 11 - Esquema das Instalações do Projeto Hawai Biomass Gasification
29
KTH (Kungl Tekniska Hogskolan, the Royal Institute of Technology)
Descrição / Finalidade: Pesquisa sobre todos os aspectos de gaseificação na Suíça.
O governo suíço viu com grande entusiasmo por diversas décadas a energia de
biomassa, eles possuíam grandes recursos florestais, já que são grandes produtores de papel
e de móveis. A KTH possui trabalhos no campo da gaseificação e da combustão, possui
laboratórios bem equipados. Eles possuem uma importante lista de publicações feitas na
última década por instituições de pesquisa sobre gaseificação.
A KTH possui 36 papers listados, como:
Rápida Pirólise do Bagaço, do Açúcar de Cana e Resíduos da
Banana.
Equipamento para Quebra por Pirólise do Gás de Biomassa
Características do Alcatrão do Carvão / Gaseificação de Biomassa
Reforma do Vapor com Catalisador de Níquel no Gás de
Gaseificação de Biomassa
Organizações de Pesquisas de Gaseificação no Brasil
Ainda não existem unidades comerciais de gaseificação no Brasil. Algumas instituições
de pesquisa se destacam pelo caráter pioneiro de seus trabalhos. Entre eles, destaca-se:
UNICAMP - Universidade de Campinas, IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas, UFPA -
Universidade Federal do Pará; EFEI – Universidade Federal de Itajubá.
UNICAMP - Universidade de Campinas:
Sob liderança do Prof. Dr. Sanchez, a UNICAMP está trabalhando com um reator
de leito fluidizado constituído por um tubo cilíndrico de 250 mm de diâmetro externo, de
aço inox 314, revestido internamente com concreto refratário de 25 mm de espessura,
resultado em um reator com 200 mm de diâmetro interno. A altura total do reator ‚ de 2000
mm, sendo a altura do refratário de 700 mm.
O ar de alimentação é fornecido por um compressor, com a vazão monitorada por
uma placa de orifício calibrada. O ar é injetado na parte de baixo do reator por uma placa de
orifícios com cerca de 2000 furos de 1,5 mm (plenum). O combustível ‚ introduzido no
reator por uma rosca sem-fim refrigerada a água e instalada 50 mm acima da placa
distribuidora. É possível modificar a alimentação do combustível através de um motor
30
variador. O alimentador representa o elemento mais problemático do experimento de vários
pesquisadores. O gás ao sair do topo do reator passa por um ciclone que permite coletar
particu1ados, passando em seguida por uma placa de orifício para a medida da vazão, e
descarregado na atmosfera por uma chaminé. O material inerte do leito é formado por óxido
de alumina branco (alumina). O leito estacionário variou de 28 cm a 57 cm.
A amostragem do gás é feita logo na saída do ciclone. A amostra do gás é
succionada da tubulação de exaustão de gás do reator por um tubo, passando por um filtro e
por um separador de água, por um analisador continuo de monóxido de carbono (fim de
escala 9,99 %) passando por um by-pass para a atmosfera. são reportados bons resultados
para gaseificação de casca de arroz e serragem. Contudo, a utilização de biomassa fibrosa,
por exemplo bagaço de cana, apresentou sérios problemas na alimentação, exigindo um
novo desenho de rosca do alimentador. Com base na experiência adquirida neste reator, o
grupo de trabalho da UNICAMP pretende desenhar um reator maior, diâmetro de 300mm
com capacidade de 100 a 120 KW. Com isto será possive1 aprimorar o sistema de
alimentação de combustível, a filtragem dos gases e e1aborar uma sistemática mais
adequada de partida do reator.
Figura 12 - Reator de Leito Fluidizado Instalado na Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp
31
IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas:
O IPT é uma instituição centenária, vinculada ao Governo do Estado de São Paulo,
que provê soluções tecnológicas para empresas e instituições públicas e privadas. Em 2011
teve faturamento anual de R$88 milhões.
Em 2012, a instituição publicou no SAE Brasil um estudo atualizado sobre a
viabilidade econômica da gaseificação do bagaço de cana, visando prospectar esta
oportunidade para 2020. Este estudo, aponta que a técnica de gaseificação do bagaço
concorre com outra tecnologia, de origem bioquímica: a hidrólise enzimática. Nesta
metodologia, visa-se transformar a biomassa lignocelulósica em etanol de segunda geração.
Abaixo, segue um report de 2011 do Google Scholar sobre as publicações de ambas as
tecnologias:
Tabela 2- Pesquisa em 2011 no Google Scholar
Dessa forma, nota-se que tanto no mundo quanto no Brasil, a hidrólise tem ganhado
maior repercussão que a gaseificação. Independente disso, o IPT investe em ambas as
tecnologias.
Contudo, como em qualquer projeto de prospecção de mercado, houve a
necessidade de pesquisar a receptividade de um cenário futuro no que diz respeito ao
suprimento de matéria prima que o mercado poderia abastecer. Para tal, a partir de dados de
produção de cana de açúcar nos últimos anos, prosseguiu-se com uma extrapolação a fim de
se estabelecer o cenário para os próximos anos, conforme a Figura:
32
Figura 13 - Análise de Tendência de Produção de Cana de Açúcar
Sabe-se que instituições de fomento, como o BNDS (Banco Nacional de
Desenvolvimento Econômico e Social) e UNICA (União Da Indústria De Cana De Açúcar)
incentivarão a construção de novas usinas de cana nos próximos anos, indicação que o
cenário para o investimento nesta tecnologia é promissor.
Analisando o cenário atual, pode-se apontar algumas características:
Inexiste uma planta comercial de gaseificação de biomassa no
mundo
Várias plantas pilotos sem continuidade
Tecnologias importadas
As plantas de gaseificação exigem altos investimentos
Desafios em financiamento de projetos de P&D e de implantação
comercial
Para tentar equilibrar o cenário nacional, o IPT está investindo na criação de uma
planta piloto de larga escala, nos moldes de outras grandes usinas, como:
33
Figura 14- Projeto BioTFuel na França
Figura 15 - Projeto Choren na Alemanha
Figura 16 - Projeto Chemrec na Suécia
34
Dessa forma, nasceu o projeto BioSynGas. A ideia é construir e operar uma usina
piloto de gaseificação de biomassa por fluxo de arraste, focada em bagaço de cana de
açúcar, de forma a adquirir o conhecimento necessário para projetar uma usina industrial
com Capex de US360M, para 400.000t/ano.
Este projeto conta com o apoio de diversas instituições, tais como: Petrobras,
Oxiteno, Vale, Raízen, USP, CTBE, FINEP, BNDS, etc.
Apesar do projeto só possuir previsão para finalização em 2016, o fluxograma de
processo já encontra-se bem estabelecido, conforme a imagem abaixo:
35
A partir dos dados obtidos por simulações numéricas deste processo, resumiu-se de
maneira sucinta as relações de balanço de massa e consumo energético deste processo,
conforme a Figura 18:
Figura 18 - Balanço de Massa e Energia [Não leva em conta energia consumida nas etapas de secagem, moagem, torrefação e pirólise]
Além deste dados, também foram disponibilizadas outras informações sobre a
sustentabilidade deste processo, tais como a Tabela 3:
Figura 17 - Fluxograma de Processo do BioSynGas
36
Tabela 3 - Informações Complementares do Processo BioSynGas
Apesar de promissora, esta tecnologia ainda apresenta vários gargalos que ainda são
alvo de pesquisa e desenvolvimento. Dentre as principais linhas de pesquisa, pode-se
destacar:
Sistemas de secagem da biomassa
Sistemas de pré-tratamento de biomassa
o Torrefação
o Pirólise rápida
Sistema de remoção de cinzas pré-gaseificação.
Sistema de alimentação do combustível;
Revestimento da câmara de gaseificação;
Utilização ou não de recuperador de calor;
Sistema de remoção de cinzas;
Sistemas de monitoramento, controle e segurança.
Sistemas de limpeza de gases
.Sustentabilidade ambiental
O IPT recebeu tantos apoios para o desenvolvimento deste projeto porque nos
últimos anos, a equipe do Laboratório de Combustão e Gaseificação do IPT, projetou e
construiu várias instalações piloto, que permanecem montadas no Laboratório para a
execução de trabalhos de investigação experimental auto motivados e para o atendimento de
trabalhos de interesse do meio industrial.
Tais equipamentos têm como característica comum potência relativamente elevada,
a fim de verificar experimentalmente a maioria dos problemas passíveis de ocorrerem numa
instalação de porte industrial, bem como utilizar parâmetros obtidos na sua operação para o
dimensionamento de unidades industriais com razoável segurança, caracterizando, portanto,
o que se convenciona denominar internacionalmente um Laboratório de Combustão
Industrial.
Água de Recirculação 30 m³/h
Make-Up de Água 2 m³/h
Consumo de GLP 45 kg/t bagaço
37
Gaseificador de leito Fluidizado:
Este combustor/gaseificador é constituído de: um reator com diâmetro interno de
0,5m e altura de 5,0 m, revestido internamente por refratário sílico-aluminoso monolítico.
Figura 19 - Gaseificador de Leito Fluidizado Instalado no IPT.
O sistema de injeção de ar de fluidização é constituído por um plenum e uma placa
com 72 bicos de injeção de furos laterais (“stand pipes”).
O preaquecimento do material inerte que constitui o leito é feito pela combustão de
GLP através de 12 injetores montados em alguns bicos de injeção de ar e por um queimador
a diesel, localizado a 1,4 m da grelha. Como material inerte tem sido utilizada areia com
faixas granulométricas bastante estreitas, produzida pelo IPT para outras finalidades.
O gás efluente do gaseificador passa por um ciclone, revestido internamente com
refratário, que capta a maior parte do material particulado presente nesse gás. O material
coletado pode ser simplesmente recolhido através de um silo de transferência, para posterior
pesagem e análise ou então utilizando dois reservatórios de transferência e um ejetor, ser
realimentado ao interior do leito.
O gás efluente da primeira etapa de limpeza passa por uma tubulação de medição e
amostragem e em seguida por um sistema de resfriamento e lavagem e por um conjunto de
ventiladores em série que comprime o gás para a tocha.
38
Existem dois sistemas de alimentação de material passíveis de serem utilizados: um
que alimenta o material a gaseificar sobre o leito fluidizado e outro que pode alimentar o
material no meio do leito fluidizado. O primeiro se presta a materiais de granulometria mais
grosseira (2 – 10 mm) e o segundo a materiais de baixa granulometria.
A reposição eventual de inerte ao leito é feita por gravidade a partir de um silo
existente no topo do reator e a retirada eventual de inertes em excesso é feita por um tubo
de transbordo, instalado na grelha, acoplado a um recipiente através de uma válvula de
manobra.
O reator pode operar com potências de até 1 MW, valor este já obtido em diversos
ensaios operando com bagaço de cana peletizado.
Gaseificador de leito fixo
Existe no Laboratório de Combustão e Gaseificação do IPT um gaseificador de leito
fixo, com diâmetro interno de 0,5 m e altura de 3 m, possibilitando alturas de leito de até
2,5 m. O reator é revestido internamente com refratário sílicoaluminoso monolítico e seu
corpo construído em várias partes, possibilitando diversas configurações:
Figura 20 - Gaseificador de Leito Fixo Instalado no IPT.
39
O leito de material em processamento apoia-se sobre uma grelha tronco cônica que
gira excentricamente em relação à seção transversal do gaseificador. As cinzas resultantes
escoam por gravidade por um espaço anular entre a grelha e a carcaça do gaseificador
caindo na bacia de selagem, que gira solidariamente à grelha. Os sistemas de alimentação
disponíveis são: um recipiente içado manualmente através de roldana, normalmente
utilizado para materiais friáveis e um sistema de transporte pneumático, utilizável com
materiais de alta resistência ao impacto. Em qualquer dos casos o material é depositado num
pequeno silo, do qual é conduzido ao interior do reator pela manobra de duas válvulas
motorizadas, intercaladas por um reservatório de transferência.
O gás gerado pode ser enviado diretamente a uma tocha ou então passar por um
sistema de limpeza, e deste ir para a tocha ou para outro equipamento onde deva ser
utilizado.
Este equipamento já foi utilizado para muitas corridas, em operações com cavacos
de lenha, carvão vegetal, turfa extrudada, carvão de casca de coco de babaçu, carvão
mineral, bagaço de cana peletizado e resíduos florestais peletizados, totalizando mais de
2000 horas de operação. As máximas potências de operação estão por volta de 500 kW.
Para este equipamento o Laboratório também conta com um programa de simulação cuja
primeira versão foi finalizada em 1984. Este programa tem sido atualizado, tendo recebido,
em 1996, novas rotinas de secagem e pirólise de biomassa.
Atualmente o IPT desenvolve em parceria com o CENBIO – Centro Nacional de
Referência em Biomassa, o BUN – Biomass Users Network do Brasil e a Universidade do
Amazonas o projeto GASEIFAMAZ “Comparação entre Tecnologias de Gaseificação de
Biomassa Existentes no Brasil e no Exterior e Formação de Recursos Humanos na Região
Norte”. Esse projeto é patrocinado pela FINEP – Financiadora de Estudos e Projetos
empresa de fomento do Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT).
UFPA - Universidade Federal do Pará
Descrição / Finalidade: Pesquisa sobre gaseificação de resíduos de biomassa para a
produção de energia. O Departamento de Engenharia Elétrica junto com o Departamento de
Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Pará (UFPA) vem desenvolvendo
projetos de biomassa, como: Utilização de Resíduos da Flora Paraense para Produção de
Briquetes Energéticos, Utilização de Resíduos da Flora Paraense para a Produção de
Energia, Utilização de Resíduos de Madeira para a Produção de Vapor, Utilização de
40
Resíduos da Flora Paraense para Obtenção de Produtos de Alto Valor Agregado, Utilização
de Resíduos de Capoeiras para produção de Briquetes Energéticos. Atualmente a UFPA está
desenvolvendo o “Programa ENERBIO / UFPA Utilização de Resíduos de Biomassa de
Açaí e Cacau para a Produção de Energia” sob coordenação da Prof. Dr. Brígida da Rocha.
O projeto consiste em:
- Obtenção do poder calorífico do açaí e do cacau,
- Realização de testes através de gaseificação (gaseificadores importados do Indian
Institute of Science),
- Realização de testes de combustão direta,
- Briqueteamento dos resíduos do cacau,
- Briqueteamento dos resíduos do açaí,
- Utilização de briquetes dos resíduos de cacau e açaí para a geração de energia,
Dentre os resultados esperados, pode-se citar:
- Melhoria na qualidade de vida da população,
- Adequação as normas MDL (Mecanismo de Desenvolvimento Limpo),
- Limpeza ambiental,
- Geração e manutenção de empregos diretos e indiretos,
- Viabilidade da qualidade de vida para gerações futuras,
- Agregação de valor aos produtos,
- Contribuição do acréscimo do PIB do estado do Pará, entre outros.
EFEI – Universidade Federal de Itajubá
A EFEI – Universidade Federal de Itajubá, sobre coordenação do Prof. Dr. Electo
Silva Lora, está trabalhando atualmente em um projeto de gaseificação financiado pela
CEMIG – Companhia Energética de Minas Gerais, COPERSUCAR – Cooperativa de
Produtos de Cana, Açúcar e Álcool do Estado de São Paulo Ltda e pela FINEP –
Financiadora de Estudos e Projetos. O gaseificador é de leito fluidizado circulante de
210KW e será alimentado com casca de arroz, serragem e bagaço de cana. O projeto
pretende verificar a operação dos diferentes sistemas e testar a seqüência de partida.
Atualmente, a equipe técnica aguarda o recebimento do amostrador de gás para realizar os
testes de desempenho.
41
O Prof. Luiz Augusto Horta Nogueira, da Universidade Federal de Itajubá,
desenvolveu o Projeto WBP-SIGAME, que reúne entidades brasileiras e internacionais com
o propósito de conceber, desenhar e implantar uma planta termelétrica com ciclo combinado
empregando biomassa lenhosa gaseificada, com uma capacidade cerca de 30 MW.
Como principais referências para este trabalho tomaram-se os trabalhos dos
responsáveis pelo projeto, (Cunha Filho et alli, 1995 e Leão et alli, 1995). O projeto Wood
Biomass Project / Sistema Integrado de Gaseificação de Madeira para Produção de
Eletricidade (WBP/SIGAME), foi iniciado em julho de 1991 e tem como núcleo à
implantação de uma Usina de Demonstração, com capacidade instalada de
aproximadamente 30 MW. O projeto visa demonstrar a viabilidade comercial da geração de
eletricidade, a partir da madeira (biomassa florestal), através da utilização da tecnologia de
gaseificação integrada a uma turbina a gás, operando em ciclo combinado e é o resultado da
soma de interesses de um grupo de empresas e de órgãos do governo brasileiro, no
desenvolvimento desta tecnologia, associando-se ainda aos objetivos de preservação
ambiental do Global Environmental Fund (GEF), das Nações Unidas.
Conclusão
A cana de açúcar, hoje enraizado na matriz alimentícia do planeta, apresenta alto
potencial para complementação da matriz energética global. Assim como as outras
biomassas, trata-se de um produto renovável, menos poluidor e capaz de reduzir a
dependência global em combustíveis fósseis.
A cana de açúcar se destaca de outras biomassas pela alta disponibilidade,
principalmente em países subdesenvolvidos (Brasil, Índia, China, etc.) e pela alta
eficiência energética. Além do etanol gerado pelo processamento direto nas indústrias
sucroalcooleiras, o subproduto gerado, ou seja, o bagaço, ainda é passível a
aproveitamento. Hoje em dia, ainda se emprega em sua maioria para cogeração de
energia nas usinas por combustão. Contudo, outras tecnologias, como a hidrólise
enzimática e a gaseificação tem apresentados bons sinais para melhor aproveitamento
deste recurso.
No que tange esta última tecnologia citada, objetivo do presente estudo, pode-
se dizer então que considerando fatores como: preço, reservas, tecnologias e impactos
ambientais e sociais, de importância fundamental no setor energético nacional, a
42
tecnologia de gaseificação de biomassa pode não só ser viável técnica e
economicamente, mas também tomar mais interessante à utilização de combustíveis
renováveis (biomassa vegetal), contribuindo para uma condição de melhor
aproveitamento do potencial renovável existente em países como Brasil.
Dentre as diferentes variantes deste processo, a gaseificação em leito fluidizado
apresenta-se como a mais promissora em termos de desempenho integral, devido à
possibilidade de utilização como combustível dos resíduos agrícolas, abundantes e de
baixo valor comercial, tais como, o bagaço e a palha de cana-de-açúcar, casca de arroz,
casca de café, serragens, etc. A grande disponibilidade, alia-se ao fato de que,
geralmente, o processamento dos produtos agrícolas que dão origem a estes resíduos
requerem grandes quantidades de energia. A gaseificação com reator de leito
fluidizado poderá apresentar vantagens devido às características peculiares destes
combustíveis, com relação principalmente as suas características de umidade,
granulometria, e baixa densidade. Devido a todas estas vantagens, hoje, a gaseificação
em reatores de leito fluidizado se apresenta muito promissora, sendo considerada
praticamente a tecnologia mais viável tecnicamente para a conversão térmica de
resíduos de biomassa de caráter polidisperso.
Por fim, observa-se que este campo de estudo ainda é alvo de pesquisa de
diversas unidades ao redor do mundo e no Brasil. Apesar de não haver unidades
comerciais operantes para gaseificação de biomassa, institutos de pesquisa vêm
investindo em unidades pilotos que permitam a melhor compreensão do processo e
eventual scale-up. Um projeto de grande destaque é o BioSynGas, liderado pelo IPT,
que pretende instalar até 2016 uma unidade de grande porte para fins de pesquisa.
Dessa forma, espera-se para os próximos anos um grande crescimento desta
tecnologia. Órgãos fomentadores de investimentos e os governos federais e estaduais
devem investir para incorporação desta tecnologia na matriz energética brasileira, a
fim de suprir a demanda nacional e minimizar a dependência por produtos de origem
fósseis. Assim, objetiva-se que o Brasil cresça de maneira sustentável e mantenha-se
no posto de líder tecnológico em tecnologias renováveis.
43
Bibliografia
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Energia", IPT 2012.
[2] COELHO, S. T.; “Avaliação da Cogeração de Eletricidade a Partir de Bagaço de
Cana em Sistemas de Gaseificador / Turbina a Gás”, 1992
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Análise e Comparação com Sistema Real”, 2009
[5]BOTÃO, S.G.; LACAVA, P. M “Uso do Bagaço de Cana de Açúcar para
Cogeração de Energia Elétrica no Estado de São Paulo e a Comercialização do
Excedente da Energia Gerada”, 2003