Gaseificação em Processos Industriais ou Naturais - Apostilas - Engenharia de Alimentos, Notas de estudo de . Universidade Federal de Alagoas (UFAL)
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Sel_Brasileira4 de Março de 2013

Gaseificação em Processos Industriais ou Naturais - Apostilas - Engenharia de Alimentos, Notas de estudo de . Universidade Federal de Alagoas (UFAL)

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Apostilas de engenharia de alimentos sobre o estudo da gaseificação em processos industriais ou naturais, etapas, vantagens, gaseificação natural.
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Gaseificação em Processos Industriais ou Naturais

A gaseificação envolve a conversão de matéria carbonácea em produtos gasosos com valor de aquecimento adequado. É um processo de conversão de combustíveis sólidos em gasosos, por meio de reações termoquímicas, onde a técnica mais comum é a oxidação parcial utilizando-se O2, ar ou vapor quente para a produção de um gás (comumente denominado gás de síntese ou syngas) constituído de H e CO em duas proporções variadas (HIGMAN, 2003). Ou seja, em quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo teórico para a combustão). A matéria orgânica é total ou parcialmente transformada em gases cujos principais componentes são: monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio e, dependendo das condições, metano, hidrocarbonetos leves, nitrogênio e vapor de água em diferentes proporções. Esta tecnologia se encontra em estágio de desenvolvimento e comercialização, incluindo: tecnologias Fischer- Tropsch (GTL), para a produção de biodiesel ou biogasolina a partir da conversão do gás de síntese, tecnologias para a obtenção de biometanol com alto teor de alcoóis e alcoóis misturados como a mistura de gasolina ou substitutos, tecnologias desenvolvidas para fermentar o gás de síntese para etanol, com um co-produto do hidrogênio (LORA e VENTURINI, 2010).

O processo de gaseificação da biomassa resulta em complexas reações, ainda não bem conhecidas em sua totalidade. Porém, de forma introdutória e em termos teóricos, a Cenbio (2002) subdividiu em várias etapas:

1. Etapa de pirólise ou decomposição térmica, que se desenvolve a temperaturas próximas de 600º C.

2. Oxidação de parte do carbono fixo do combustível, método que constitui a fonte de energia térmica para o processo de volatilização e gaseificação.

3. Gaseificação propriamente dita, que inclui reações heterogêneas entre os gases e o coque residual, assim como reações homogêneas entre os produtos já formados.

4. 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.

5. Oxidação parcial dos produtos da pirólise.

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.

Existem vários tipos de gaseificadores, funcionando com grandes diferenças de temperatura e/ou pressão (Fig. 04). Os mais comuns são os reatores de leito fixo e de leito fluidizado. Os gaseificadores de leito fixo são simples e são os mais adequados para pequenas unidades. Os mesmos se classificam especialmente em contracorrente (Fig. 04a) e equicorrente (Fig. 04b) segundo as diferentes maneiras com que as etapas de gaseificação podem se suceder. No tipo

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contracorrente a biomassa geralmente entra por cima enquanto o ar entra por baixo. O gás combustível sai por cima e as cinzas da biomassa utilizada saem por baixo, caracterizando o fluxo contracorrente. Ao entrar no gaseificador o ar reage com o carvão vegetal formado logo acima, e produz gás carbônico e vapor d’água em altas temperaturas. Esses produtos são empurrados para cima e reagem endotermicamente com o carvão para formar CO e H2.

Esses gases ainda quentes fornecem o calor necessário para a pirólise e a secagem da biomassa que está entrando.

No gaseificador equicorrente a biomassa também entra por cima, mas o ar entra num ponto intermediário e desce no mesmo sentido da biomassa. Depois de passar pelo processo de redução, o ar sobe sem entrar em contato direto com a biomassa que está entrando, apenas troca calor para auxiliar o processo de pirólise.

O ar entra na região de pirólise e produz uma chama queimando grande parte dos voláteis. Essa chama é conhecida como combustão pirolítica onde a quantidade limitada de ar produz gases combustíveis além de gás carbônico e água. Quando os voláteis restantes são obrigados a passar pela zona de combustão, atingem temperaturas altas que os transforma em gases não condensáveis (WANDER, 2001).

Após a zona de combustão a biomassa se transforma em carvão vegetal, o dióxido de carbono e o vapor d’água que vem da região de combustão reagem com esse carvão para gerar mais monóxido de carbono e hidrogênio. Esse processo resfria bastante o gás, já que as reações de redução são endotérmicas.

A gaseificação também pode utilizar a técnica da fluidização que é uma tecnologia adequada para converter diversos resíduos agrícolas em energia, devido a suas vantagens inerentes de flexibilidade de combustível, baixas temperaturas e condições isotérmicas de operação. A fluidização é uma operação em que um sólido entra em contato com um líquido ou um gás, de maneira tal que o conjunto adquire características similares às de fluidos, de modo que as taxas de transferência de massa e energia são elevadas. Desta forma um reator de leito fluidizado consiste em uma câmara de reação que contém partículas suportadas por uma placa distribuidora e mantidas em suspensão por um fluido que as atravessa em sentido ascendente.

Angel et al, (2009) estudaram a tecnologia de leito fluidizado com casca de arroz e obtiveram cinza amorfa a partir destas cascas com baixo teor de carbono não queimado em intervalos curtos de reação. A partir da combustão da biomassa das cascas foi gerado calor que pode ser utilizado em diversos processos industriais. A temperatura de combustão pode ser controlada com base na relação ar-combustível no reator de leito fluidizado e, por consequência, gerar resíduos com características distintas.

A gaseificação reúne algumas vantagens quanto ao seu uso:

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a) As cinzas e o carbono residual permanecem no gaseificador, diminuindo assim a emissão de particulados;

b) Alta eficiência térmica, variando de 60% a 90%, dependendo do sistema implementado;

c) Associada a catalisadores, como alumínio e zinco, a gaseificação aumenta a produção de hidrogênio e de monóxido de carbono e diminui a produção de dióxido de carbono;

d) A demanda de energia pode ser controlada e, consequentemente, a taxa de gaseificação pode ser facilmente monitorada e, também, controlada.

Porém as desvantagens são:

a) A biomassa deverá ser limpa, sem a presença de terras ou outros elementos que possam comprometer o processo de gaseificação;

b) Há o potencial de fusão de cinzas, que poderá alterar o desempenho do gaseificador, quando se usa a biomassa com alto teor de cinzas, e;

c) se não completamente queimado, o alcatrão, formado durante o processo de gaseificação, pode limitar suas aplicações.

A partir da gaseificação da biomassa ou de outros combustíveis sólidos é formado, segundo LORA ET AL, (2008), o gás de síntese ou syngas que é uma mistura de gases de compostos químicos variados. Esse gás tem sua composição basicamente através de uma mistura de hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO) com aplicação em processos industriais de produção de hidrogênio para células combustíveis, metanol e vários produtos químicos, como a amônia. Alguns autores diferenciam um gás de síntese de menor qualidade (baixo poder calorífico) passível de ser utilizado em motores de combustão interna alternativos, turbinas a gás ou para a queima direta em fornos e caldeiras. A poligeração consiste no uso do gás de gaseificação tanto para processos de síntese como para a geração de eletricidade em uma única planta. No caso da via bioquímica de conversão existe a opção de gaseificar os resíduos de lignina (LORA e VENTURINI, 2010).

Como se Produz água com Gás?

A grande maioria das marcas que encontramos à venda é gaseificada artificialmente, em um processo industrial idêntico ao dos refrigerantes: retira-se o oxigênio presente no líquido e injeta-se, em seu lugar, gás carbônico. A água tem de ser resfriada para absorvê-lo. “Gases a baixas temperaturas têm menor movimento molecular. Isso torna mais fácil agregá-los ao líquido”, afirma o geólogo Uriel Duarte, da Universidade de São Paulo (USP). Já o processo natural de formação de água carbogasosa ou carbonatada (como é chamada pelos cientistas) surge do aquecimento subterrâneo. As fontes estão situadas em regiões onde ocorreram vulcões ou onde a camada de magma está mais próxima da superfície. “Nesses locais, os condutos de magma atravessam as rochas até alcançarem os aquíferos, reservatórios

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subterrâneos de água. O calor intenso quebra as moléculas dos minerais contidos na água, liberando vapores e incorporando os gases ao líquido”, diz Uriel.

Existe ainda outra possibilidade: “O gás carbônico também pode ser formado pela oxidação da matéria orgânica presente no aquífero”, afirma o hidrogeólogo Ricardo Hirata, também da USP. De qualquer forma, muitas águas gasosas naturais podem apresentar teor de gás carbônico baixo para as convenções comerciais e, nesse caso, recebem artificialmente um reforço de CO2. Na terra como na fábrica, quando não vem da natureza, a água carbonatada é obtida em processo industrial.

Gaseificação natural

1. Condutos de magma aquecem o aquífero (reservatório subterrâneo de água)

2. O calor libera os minerais da água, agregando a ela gases e vapores. Além disso, a oxidação da matéria orgânica presente no aquífero também produz gás carbônico incorporado pela água.

3. A água aquecida fica mais leve e sobe até uma fonte na superfície. Se o teor de gás for baixo para os padrões comerciais, ele é reforçado artificialmente.

Gaseificação artificial

1. A água mineral retirada da fonte é armazenada em um reservatório

2. O líquido é bombeado até o chamado desairador, onde o oxigênio dissolvido na água é retirado para dar lugar ao gás carbônico.

3. No resfriador, a água tem sua temperatura abaixada para 5 oC, para facilitar a absorção do gás carbônico

4. O carbonatador é um tanque pressurizado, alimentado por CO2, para onde a água resfriada é borrifada. A pressão e a temperatura permitem que o CO2 ocupe o espaço que antes era do oxigênio.

Gaseificação surge como alternativa energética

Processo químico que produz gás por meio da injeção de vapor d’água ganha espaço na geração de energia. O procedimento apresenta uma vantagem em relação à geração termelétrica tradicional através do carvão, porque é mais fácil de capturar o CO2.

Empreendimentos maiores poderão ser colocados “na boca” de uma mina. Devido ao impacto ambiental que provoca, o carvão vem sofrendo constantes dificuldades para elevar sua participação na matriz de energia elétrica nacional. Os empreendedores envolvidos com esse setor já buscam opções para que o insumo seja aproveitado, e uma das sugestões avaliadas no momento é a da gaseificação, que consiste em uma reação química com a injeção de vapor d’água, gerando gás.

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Recentemente, uma delegação do Brasil, com a presença do presidente da Associação Brasileira de Carvão Mineral (ABCM), Fernando Zancan, visitou o Gasification Tecnology Institute (GTI), em Chicago, nos Estados Unidos. Na ocasião, foram discutidos os testes de carvões brasileiros no instituto com a empresa Syntesis Energy Systems, que detém a licença da tecnologia de gaseificação U-GAS, e o modelo comercial de aplicação dessa inovação no Brasil. Zancan relata que engenheiros da Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina (SATC) são treinados nos Estados Unidos com o objetivo de capacitar os pesquisadores e aprofundar sobre a possibilidade ou não de não gaseificar o carvão nacional e quanto custaria esse procedimento. A Secretaria de Infraestrutura e Logística (Seinfra) do Rio Grande do Sul, inclusive, enviará amostras de carvão gaúcho para o GTI. Segundo Zancan, o levantamento sobre a viabilidade da gaseificação do mineral deverá ser concluído em meados do próximo ano.

O gerente-executivo da Seinfra, Rui Dick, antecipa que a iniciativa passa pela contratação da empresa Vamtec Vitória, que possui parceria com a Syntesis Energy Systems. Ele detalha que serão colhidas duas amostras representativas de carvão gaúcho, uma da jazida de Candiota e outra de jazida do Baixo Jacuí. Esses itens serão submetidos a testes de gaseificação de bancada em laboratório norte-americano.

O produto final será um relatório, com conclusões sobre a viabilidade técnica e econômico- financeira de geração de gás a partir das jazidas de carvão do Estado. Também indicará se é viável ou não a implantação de plantas de gaseificação em escala industrial.

O secretário da Seinfra, Beto Albuquerque, revela que a pasta deverá gastar na pesquisa aproximadamente US$ 320 mil. “A gaseificação pode ser uma importante alternativa energética para o Rio Grande do Sul”, defende o dirigente. Ele ressalta que estatais como a CRM (carvão), Sulgás (gás) e o Grupo CEEE (energia), poderão, futuramente, apoiar ações nessa área.

Zancan antecipa que a sequência desses trabalhos será a realização de testes-pilotos e comerciais. Se houver a indicação da viabilidade, em dois anos a intenção é instalar um projeto de gaseificador no Brasil, de médio ou grande porte, ou de menor tamanho. No caso de Santa Catarina, unidades de pequeno porte, com um investimento menor, poderiam atender às empresas de cerâmica. Também há a possibilidade de um empreendimento de proporções maiores, colocado “na boca” de uma mina, como a de Candiota, para abastecer até mesmo um polo siderúrgico. O executivo comenta que esse município gaúcho encontra-se próximo ao Uruguai, e pode fornecer minério de ferro para as companhias interessadas. Ele reforça que a propriedade física do gás do carvão é semelhante ao do natural.

O dirigente lembra ainda que a região não possui reservas locais de gás natural. “As indústrias de Santa Catarina e as gaúchas estão impedidas de crescer por conta de não ter oferta de gás, e é caro trazer de fora”, aponta Zancan. Ele acrescenta que uma solução sugerida foi a construção de um terminal de Gás Natural Liquefeito (GNL) em algum dos dois estados. No entanto, o dirigente ressalta que o produto continuará com um preço elevado.

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O gás pode ser “mais pobre”, para ser queimado em fornos, para uso da indústria de cerâmica, ou de alto valor calorífero, para substituição do gás natural. O presidente da ABCM acredita que o custo da gaseificação pode ser competitivo em relação ao do gás natural disponibilizado atualmente no mercado. O dirigente admite que, mesmo no processo de gaseificação, é gerada a emissão de CO2. Entretanto, ele explica que esse procedimento apresenta uma vantagem em relação à geração termelétrica tradicional através do carvão, porque é mais fácil de capturar o CO2 após o processo.

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