Características do gás durante a gasificação de biomassa em leito fluidizado

Abstract

Durante os últimos anos, a procura mundial de recursos energéticos renováveis tem sofrido um grande aumento. Neste grupo insere-se a biomassa, cuja conversão termoquímica, principalmente através de tecnologias de combustão e gasificação, é utilizada para a produção de energia térmica e elétrica. No processo de gasificação de biomassa é possível obter um combustível gasoso secundário com variadas aplicações, podendo inclusive servir como substituto do gás natural. No entanto, ao contrário da combustão, esta tecnologia aplicada à biomassa ainda está em fase de demonstração a nível industrial, apresentando algumas limitações em alguns aspetos tecnológicos, entre os quais a qualidade do gás produzido. Neste contexto, e com o objetivo de contribuir para o conhecimento da aplicabilidade desta tecnologia, surge o presente trabalho, onde a caracterização e definição das condições de operação de um gasificador de biomassa, bem como a caracterização do gás produzido foram objeto de estudo. Foi realizado um conjunto de experiências de gasificação direta, num reator de leito fluidizado borbulhante à escala piloto, com dois tipos de biomassa tipicamente encontrados em Portugal, e para diferentes condições de operação do gasificador, nomeadamente no que diz respeito à razão de equivalência. A biomassa utilizada consistiu em pellets comerciais de madeira e estilha de biomassa florestal residual derivada de pinheiro (Pinus pinaster), e resultante de operações florestais em Portugal. Na gama de temperatura do leito aplicada, tipicamente entre 800ºC e 875ºC, o reator funcionou em condições auto térmicas, isto é, sem a necessidade de recorrer a uma fonte de calor auxiliar externa. Em relação à composição do gás seco durante o processo de gasificação, os gases presentes em maior percentagem (em volume), para as experiências com ambos os tipos de biomassa, são o CO2 e o CO, com o primeiro a registar valores médios entre os 13.4% e os 16%, e o segundo entre 11.3% e 16.3%. Por ordem decrescente de concentração encontra-se o H2, na gama de 5.8% a 12.7%, o CH4 com valores médios entre 2.8% e 4.5%, e o C2H4 com concentrações médias entre 1.0% e 2.2%. Importa referir ainda a ausência de O2 no gás produzido. Verificou-se na concentração de H2, a principal diferença na composição do gás seco relativamente à gasificação dos dois combustíveis utilizados, com valores de concentração inferiores durante a operação com estilha de biomassa florestal residual derivada de pinheiro. Nas várias experiências realizadas, e para as condições operatórias utilizadas, observou-se que a razão de equivalência (RE) exerce um efeito significativo na composição do gás, verificando-se, genericamente, que com o aumento da RE a concentração de gases combustíveis diminui. Os valores de Poder Calorífico Inferior (PCI) obtidos para o gás seco produzido encontram-se na gama 3.4-5.6 MJ/Nm3, sendo que os valores mais elevados foram registados no decorrer dos ensaios de gasificação com pellets de madeira. Para ambos os combustíveis, o PCI do gás seco diminui com o aumento da RE.

Global demand for renewable energy resources has suffered a large increase during the past few years. Biomass is part of this group, whose thermochemical conversion, mainly through combustion and gasification technologies, is used to produce thermal and electric energy. In biomass gasification process it is possible to obtain a secondary fuel gas with many applications, which can even serve as a substitute to natural gas. However, unlikely combustion processes, at industrial level, this technology, when applied to biomass, is still in demonstration phase, with few limitations in some technological aspects, including the quality of the produced gas. This work aims to contribute to the knowledge of the applicability of this technology, and its main target of study is the characterization and definition of the operating conditions of a biomass gasifier, as well as the characterization of the produced gas. Experiments of direct gasification were conducted in a fluidized bed reactor on a pilot scale, with different types of biomass, typically found in Portugal, and the operation conditions were varied during each experiment, namely the equivalence ratio (ER). Biomass types used were commercial type wood pellets and residual biomass forest wreckage from forest operations in Portugal, derived from pine (Pinus pinaster). Within the temperature range applied, between 800°C and 875ºC, the reactor was operating in auto thermal conditions, i.e. without the need for an auxiliary external heat source. The dry producer gas was characterized in terms of CO2, CO, CH4, C2H4, H2. CO2 and CO show the highest concentration, the first with values between 13.4% and 16% and the second between 11.3% and 16.3%, followed by H2 within the range of 5.8% to 12.7%, and CH4 between 2.8% and 4.5%. Finally, the average concentrations of C2H4 is between 1.0 and 2.2%. O2 was not found in the produced gas. The main difference in the dry gas composition of the two gasification was the concentration of H2, with lower values in the gasification with pine chips. In the global context, it was observed that the equivalence ratio is inversely proportional to the concentration of the above gases, i.e. the lower the ER, the higher the concentration of the gases. The lower heating value (LHV) of the dry gas was estimated based on its chemical composition, and it was in the range 3.4 to 5.6 MJ/Nm3, and the highest values were recorded during the gasification of wood pellets. For both fuels, the lower heating value of the dry gas also decreased with increasing equivalence ratio.