CURSO INTERNACIONALCURSO INTERNACIONALCURSO INTERNACIONALCURSO INTERNACIONAL

““““ENERGIA NA INDENERGIA NA INDENERGIA NA INDENERGIA NA INDÚÚÚÚSTRIA DE STRIA DE STRIA DE STRIA DE AAAAÇÚÇÚÇÚÇÚCAR E CAR E CAR E CAR E ÁÁÁÁLCOOLLCOOLLCOOLLCOOL””””

GASIFICACIÓN DE GASIFICACIÓN DE GASIFICACIÓN DE GASIFICACIÓN DE BIOMASABIOMASABIOMASABIOMASA

Dr. Electo Silva LoraNEST/UNIFEI

GASIFICACIÓN DE BIOMASA

Prof. Electo Silva Lora

Universidad Federal de Itajubá

BRASIL

PHOTOSYNTHESIS

O6 + OHC planta OH6 + CO6 2612622 →→

solar luz

Using nearly 1% of the total incident solar radiation on Earth, it can be estimated that nearly 220 x 109 tons of biomass (dry basis) are annually produced through the photosynthesis process, which is equal to 2 x 1015

MJ, that is, 10 times more than the global energy consumed in our planet every year

2,25% hidroelétrica

0,50% novos renovaveis

9,45% biomassa tradicional parcialmente renováveis 6,47% nuclear

79,60% Combustíveis fosséis1,73%

biomassa moderna

Consumo Mundial de Energia PrimáriaBiomassa:

•Representa 11,18% de matriz energética mundial.

•Países em desenvolvimento: 18,79% em média.

Suprimento de energia Primária no Brasil

• Biomassa representa 23,8% do suprimento de energia primária.

WORLD BIOENERGY POTENTIAL

(2050)

340 – 450 EJ

GASIFICATION

* Is the conversaion process of the organic matter in a fuelgas through it partial combustion, with a quantity of air lessthan the stequiometric one.

APPLICATIONS

- POWER GENERATION

- DIRECT HEAT GENERATION

Histórico da Gaseificação

• 1839 - Bischof - Construiu na Alemanha o primeiro gaseificador.• 1840 - Ebelman - França gaseificador cinzas fundidos• 1861 - Siemens - Constroe o primeiro gaseificador Industrial.• 1879-1871 - Surge o petróleo como fonte combustível.• 1940 - Aparecem as primeiras reservas de gás natural.• 1940-1945 - Segunda Guerra Mundial (Gasogênio).• 1974-1984 - Crise do Petróleo.• 1990 - Queda do preço do Petróleo.• 2000 - Problemas ambientais (Aquecimento Global).

Status da Gaseificação

CLASSIFICATION

PRESSURE

Pressurized

Atmospheric

BED

FixedDown-draftUp-draftCrossflow

BubblingCirculating

{ {{ {

{Fluidized

GASIFIERS CLASSIFICATION

FACTORS INFLUENCING THE QUALITY OF OBTAINED GAS

Biomass characteristicsUltimate analysisCalorific valueSize distributionMoisture

Gasification agentAirOxygenSteam

Pressure and temperature during operation

GAS CHARACTERISTICS

Calorific valueGas compositionTar and particles content

Agente gaseificador PCS (MJ/m³)Ar 4 a 7

Oxigênio ou vapor 10 a 18

Poder calorífico

Agente de gaseificação ar vapor de água oxigênio

Pressão de operação Atmosférica Atmosférica Pressurizada Pressurizada

Poder calorífico do gás (MJ/Nm3) 4,5 - 6 6 - 7 ≈ 10 12 - 14

Aplicação Produção de potência

Produção de potência ou combustíveis líquidos sintéticos (metanol, amoníaco e gasolina)

3,5 – 6,513,25,1MJ/Nm3Poder Calorífico

45,0 – 60,0052,0% em volumeN2

-3,01,2% em volumeHC

5,0 – 9,08,64,4% em volumeCH4

14,0 – 19,021,213,5% em volumeCO2

10,0 – 19,028,116,3% em volumeCO

4,0 – 15,038,112,5% em volumeH2

VaporAr

Gaseificadorpressurizado(5 –20 bars)

Gaseificador atmosféricoUnidadesComponentes

GAS COMPOSITION

SECAGEM PIRÓLISE OXIDAÇÃO REDUÇÃO

PROCESSO DE GASEIFICAÇÃO

PIRÓLISE

SÓLIDOS

LÍQUIDOS

GASES{ CinzasMaterial ParticuladoMonóxido de CarbonoHidrogênioNitrogênioVapores condensados alcatrãoe ácidos

{{{

SECAGEM

OXIDAÇÃO – 700 a 2000 °C

REDUÇÃO – 800 a 1100 °C, caracteriza-se por ser endotérmica.

Gás

Ar

Zona de combustão

Zona de redução

Zona de Pirólise

Zona de Secagem

Alimentação da Biomassa

Cinzas

Gás

Ar

Zona de combustão

Zona de redução

Zona de Pirólise

Zona de Secagem

Alimentação da Biomassa

CinzasAr

Zona de combustão

Zona de redução

Zona de Pirólise

Zona de Secagem

Alimentação da Biomassa

Cinzas

UPDRAFT GASIFIER

Características

SimplicidadeAlta Eficiência Térmica Produção de gás com altos teores de alcatrão

Fluxo de gás se movimentando em sentido contrario a biomassa

DOWNDRAFT GASIFIER

Características

Mais difundidosRelativamente livre de alcatrões

Gás

ArAr

Alimentação de biomassa

Cinzas

Zona de redução

Zona de combustão

Zona de pirólise

Zona de secagem

Características

Gás com características intermediáriasTaxa de fornecimento de ar maiorRápida resposta a variação de cargaSimplicidade de construçãoPeso reduzidoLimitação quanto ao tipo de biomassa a ser utilizadaSensibilidade a umidade do combustível

Ar Gás

Zona de secagem

Zona de

Pirólise

Cinzas

Z C ZR

alimentação de biomassa

CROSSFLOW GASIFIER

Alimentação de Biomassa

Ar

Gás

Coleta de cinzas

BUBBLING FLUIDIZED BED GASIFIER

Características

As partículas arrastadas não recirculam;

É alimentado diretamente na zona do leito

Trabalham com velocidades menores que o de arraste pneumático.

Gás

Ar

Alimentação de Biomassa

CIRCULATING FLUIDIZED BED GASIFIER

CaracterísticasAs partículas sólidas são recirculadas;

Opera próximo ao regime de transporte pneumático;

Maior conversão de carbono, pelo maior tempo de residência das partículas;

Mais eficiente, com maior capacidade específica kg/m³h

Relação entre o teor de alcatrão no gás e a altura dinâmica do leito

Relação entre o teor do alcatrão no gás e a localização do ponto de alimentação de

biomassa (altura sobre a placa distribuidora)

Relação entre o poder calorífico

do gás e o fator de ar Relação entre a eficiência

do gaseificador e o fator de ar

GAS QUALITY FOR DIFFERENT APPLICATIONS

TAR AND PARTICLES CONCENTRATION IN THE GAS OBTAINED FROM DIFFERENT GASIFIERS

2.10 – Capacidade da Instalação versus o Processos de Gaseificação

Lit fluidisé sous pression

Lit fluidisé circulant

Lit fluidisé dense

Contre-courant

Co-courant

1 MW 10 MW 100 MW 1000 MW1 kW 10 kW 100 kW

0,2 kg/h 2 kg/h 20 kg/h 200 kg/h 2 t/h 20 t/h 200 t/h

ARBRE demonstration project

(Grã-Bretanha)

Gaseificador de leito fluidizado circulanteCapacidade = 10 MWtPressão de operação = 1,5 MPaTemperatura do leito = 850 – 900 °C

PARAMETERS OF MODERN GASIFIERS

Parâmetros de Operação de Diversas Plantas de Gaseificação

EPI Stein Tampella ISU GTI SEI Purox SofresidType BFB BFB BFB BFB BFB BFB FB FB

Primary Feeddstock Wood Wood Wood Corn Wood Wood MSW MSWThroughput (tonne/day) 100 60 45 4.5 12 181 181 195

Pressure (bar) 1 15 20-23 1 35 1 1 1Temperature (ºC) 650 700-750 850-950 730 816 650-815 - 1300-1400

Reactant 1 Air O2 Air Air O2 Air O2 AirImput (kg/kg feed) 2.0 0.6 0.4 - 0.27 1.45 - -

Reactant 2 - Steam Steam - Steam - - -Imput (kg/kg feed) - 0.4 0.5 - 0.64 - - -Gas Output M3/h) 8793 2900 - - 335 4845 - 33,96

Exit Temperture (ºC) 621 - 300-350 - 816 800 - -Heating Value (MJ/m3) 5.6 5.52 4/jun 4.5 13 5.7 - 7.92

Continuação...

EPI Stein Tampella

ISU GTI SEI Purox Sofresid

Type BFB BFB BFB BFB BFB BFB FB FBPrimary Feeddstock Wood Wood Wood Corn Wood Wood MSW MSW

Throughput (tonne/day) 100 60 45 4.5 12 181 181 195Pressure (bar) 1 15 20-23 1 35 1 1 1

Temperature (ºC) 650 700-750 850-950 730 816 650-815 - 1300-1400

Reactant 1 Air O2 Air Air O2 Air O2 AirImput (kg/kg feed) 2.0 0.6 0.4 - 0.27 1.45 - -

Reactant 2 - Steam Steam - Steam - - -Imput (kg/kg feed) - 0.4 0.5 - 0.64 - - -Gas Output M3/h) 8793 2900 - - 335 4845 - 33,96

Exit Temperture (ºC) 621 - 300-350 - 816 800 - -Heating Value (MJ/m3) 5.6 5.52 4/jun 4.5 13 5.7 - 7.92

(NATIONAL ENERGY TECHNOLOGY LABORATORY, 2002)

Composição Média do Gás para Diversas Tecnologias de Gaseificação

BFB CBF BCL/ Fixed BedRange Range FERGOa MTCb Purox Shell

Feedstock Various Various Wood Pulp MSW CoalH2 5 a 26 7 a 20 14.9 43.3 23.4 24CO 13 a 27 9 a 27 46.5 9.22 39.1 67

CO2 9- 11 a 16 14.6 28.1 24.4 4H2O <18 10 a 14 dry 5.57 dry 3CH4 3 a 11 <9 17.8 4.73 5.47 0.02C2+ <3 <4 6.2 9.03 4.93 0

Tars <0.11 <1 - Scrubbed - 0H2S ~0 ~0 - 0.08 0.05 1

O2 <0.2 0 0 0 - 0NH3 0 0 0 0 - 0.04

N2 13 a 56 46 a 52 0 0 - 1H2/CO

Ratio0.2 0,6 a 1 0.3 4.6 0.6 0.36

Heating Value

(MJ/m3) 4 a 13 4 a 7,5 18.0 16.7 - 9.51

(NATIONAL RENEWABLE ENERGY, 2002)

T

Queimador

Cinzas

P

T

T

T

T T

T

T

T

T

T

T T,P,Q

T

Silo

Alimentador

Resfriador da

rosca de Alimentação

Gaseificador

Compressor

Lavador Venturi

Ciclone

Torre de lavagem do

gás

Separadores

Resíduo

UNIFEI BIOMASS GASIFIER

245 kW800 mm

0.474 mm0.03 kg/s

0.163 m³/s0.032 m³/s

57 %75 %

3000 mmDiâmetro do Freeboard 702 mm

Bagaço de cana

Vazão de BiomassaVazão de Gás ProduzidoVazão de Ar

CARACTERÍSTICAS DO GASEIFICADOR

Potência TérmicaAltura do LeitoDiâmetro da Seção do Leito

Eficiência a FrioEficiência a Quente

Biomassa Considerada

Altura do Freeboard

Reator

•Plenum

•Placa de distribuição de ar

•Leito

•Free-board

•Zona de saída dos gases

•Material do leito

Fluxograma da Instalação

3.3 – Sistemas Auxiliares

•Alimentação de combustível

Silo de 0,30 m3 – 180 kg de biomassaRosca sem fim – (50 – 200) kg/h

•Pré-aquecimento do Leito

•Suprimento de Ar

•Controle de Temperatura

•Aquisição de dados ADS – 2000 – LYNX

•Análise do gás Combustível (MPS – 6500)

1º Módulo - pré-tratamento – Filtrado e Lavado2º Módulo - Amostrador – Desumidificação e Compressão3º Módulo – Análise - % CO, % CH4 e % H2

•Pós-queimadores (Flare)

Sistema de Pré-aquecimento do Leito

• Capacidade 77000 Kcal/h

• Pressão de Operação (1600 – 2000) mmca

• Segurança