Gasificação de carvão vegetal com vapor: de partícula isolada a leito fixo contínuo – Cicle Network

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Face ao crescimento da procura global de energia e à recente tomada de consciência dos problemas do aumento do efeito de estufa e do esgotamento dos recursos fósseis, as energias renováveis estão hoje em dia a atrair um interesse sem paralelo. Neste contexto, a biomassa tem um potencial significativo, e tecnologias de valorização eficientes, tais como a gasificação, estão a emergir e a encorajar o desenvolvimento deste campo.

Tese defendida por Mlle. Floriane de Mermoud, CIRAD Biomass Energy Laboratory, 2006.

Introdução: gaseificação, princípio e história

Gasificação é um tratamento termoquímico que converte um sólido carbonoso num gás combustível carregado com hidrogénio e monóxido de carbono. A valorização deste gás é hoje feita principalmente em unidades de cogeração, mas as possibilidades de acoplamento com células de combustível ou reactores de síntese de biocombustíveis líquidos sugerem um futuro brilhante para este campo.

Gasificação tem sido desenvolvida significativamente desde o período entre guerras, com uma capacidade instalada mundial de 45 GWth em 2004. Contudo, as instalações existentes funcionam principalmente com carvão mineral: a aplicação à biomassa enfrenta algumas barreiras tecnológicas. A falta de manifestações no campo da gaseificação da biomassa leva a uma estagnação do sector.

É neste contexto que a União Europeia, no âmbito do 5º Programa-Quadro de Investigação e Desenvolvimento Tecnológico, decidiu apoiar a investigação neste campo através do projecto Lift off. O objectivo do projecto é a concepção e implementação na Dinamarca de uma central de demonstração de 2 MWth de leito fixo, permitindo a co-geração de electricidade e calor a partir da madeira.

Tese objectivo

Esta tese faz parte de uma abordagem de apoio à concepção e optimização de processos contínuos de gaseificação de leito fixo. De facto, se a gaseificação da madeira tem sido estudada há muitos anos em instalações laboratoriais ou piloto, a transição para a escala industrial encontra dificuldades tecnológicas.

À medida que o tamanho do leito fixo aumenta, a queda de pressão através do leito, gerada pelo assentamento de cinzas, torna-se demasiado importante e são criadas passagens preferenciais para os gases dentro do leito. Estes fenómenos levam a uma limitação da reacção e, portanto, a uma queda no rendimento da planta.

O objectivo deste trabalho é alcançar uma compreensão mais fina do comportamento do leito fixo contínuo durante a gaseificação, necessária para superar as dificuldades acima mencionadas.

Conteúdos

O trabalho realizado nesta tese está dividido em cinco partes:

Capítulo I descreve as questões da gaseificação da biomassa: primeiro a nível ambiental, com os compromissos de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa; depois, a nível energético, com a importância e variedade do depósito disponível; depois a nível económico, com as oportunidades de desenvolvimento rural e independência energética; finalmente, a nível industrial, com o desenvolvimento de novas tecnologias energeticamente eficientes.

Capítulo II é dedicado a um estudo bibliográfico dos fenómenos envolvidos na gaseificação de uma partícula de carvão vegetal com vapor. As características da madeira, bem como o curso da fase de pirólise, são descritas em primeiro lugar. A gaseificação a vapor é então estudada especificamente. Os vários fenómenos de cinética química, transferência de calor e massa e adsorção de reagentes na superfície dos poros são detalhados.

Capítulo III apresenta um estudo experimental sobre a gaseificação de uma partícula de carvão com vapor. A influência da taxa de aquecimento durante a pirólise nas propriedades do carvão é destacada em primeiro lugar. Foi então realizado um estudo paramétrico sobre uma configuração experimental do tipo “macro-TG”. A influência
de parâmetros tais como temperatura (830-1030°C), pressão parcial do vapor de água (0,1-0,4 atm), tamanho das partículas (10-30 mm), ou taxa de aquecimento durante a pirólise é realçada. A procura de um critério de superfície reactiva também é feita.

Capítulo IV esboça um modelo numérico de gaseificação de uma partícula de carvão vegetal. O confronto com os resultados experimentais permite a determinação dos parâmetros cinéticos da reacção de gaseificação a vapor. A interpretação dos resultados levou o autor a concluir sobre a situação termoquímica da partícula durante a sua gaseificação. Este modelo será a base para um modelo de leito fixo.

Capítulo V descreve o reactor piloto concebido e construído neste trabalho. É um reactor de leito fixo contínuo que reproduz a única fase de gaseificação de um processo completo. Os resultados dos primeiros testes de gaseificação em leito fixo contínuo são relatados e permitem validar a relevância e o interesse de tal dispositivo.

A tese completa pode ser descarregada aqui

Jérome Levet, René Massé

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