Influência das características da biomassa nas propriedades do gás produzido durante a gasificação em leito fluidizado

Abstract

A gasificação é um processo termoquímico que permite a transformação de um combustível sólido em um gás combustível com capacidade de substituição de combustíveis fosseis em algumas aplicações. Mesmo assim para se conseguir progredir nesse sentido é necessário ultrapassar as limitações apresentadas pelo processo, quer ao nível da sua estabilidade quer de qualidade do gás. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de analisar a influência das características da biomassa e da injeção de um caudal de ar secundário sobre as características do gás produzido. Neste trabalho realizaram-se diversas experiencias de gasificação direta com ar e com dois tipos de biomassa, nomeadamente estilha de pinheiro e pellets de madeira. A infraestrutura onde decorreram as experiências encontra-se no Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro, e consiste num reator de leito fluidizado a escala piloto com 3m de altura, com uma potência nominal entre 40 a 70 kWth, sendo que a camara de gasificação tem 2,25m de altura e 0,25m de diâmetro interno. O leito utilizado nas experiencias e constituído por areia com granulometria inferior a 1mm e tem uma altura, quando fixo, de 0,23m. A infraestrutura oferece condições para efetuar a gasificação de biomassa e determinar a composição do gás produzido em termos de CO, CO2, H2, N2, CH4 e C2H4, além disso permite ainda efetuar a queima desse gás num queimador localizado a jusante do reator. Durante a operação do reator o leito fluidizado apresentou temperaturas médias entre 793 e 828ºC, com razões de equivalência estabelecidas, entre 0,16 e 0,29, onde a composição do gás produzido, em termos volumétricos apresentou-se entre 4,8 e 10,3% H2, 11,9 e 18,5% CO, 10,3 e 16,0% CO2, 3,2 e 5,4% CH4, 1,3 a 2,1% C2H4, verificando-se um Aumento do teor de CO nas experiências com injeção de ar secundário. A maior concentração de todos os gases foi observada na experiência com pellets com razão de equivalência de 0,20, assim como o valor máximo do poder calorifico inferior. O poder calorifico inferior do gás seco encontrou-se entre 4,1 e 6,6 MJ/Nm3, e os valores deste têm tendência a aumentar com a diminuição da razão de equivalência. A produção específica de gás variou entre 1,1 e 1,9 Nm3/kg combustível bs, a eficiência de conversão de carbono entre 39 e 75% e a eficiência do gás arrefecido entre 29 e 55%. No caso da alimentação com estilha de pinheiro, os três parâmetros anteriores têm tendência a aumentar para razões e equivalência superiores, já no caso da alimentação com pellets, não existirão alterações significativas para a produção especifica de gás, mas nos restantes parâmetros verificou-se que os valores foram mais elevados para razões de equivalência mais baixas. Os valores mais elevados em termos de eficiência de gás arrefecido e eficiência de conversão de carbono foram obtidos na experiência realizada com pellets a uma razão de equivalência de 0,20, já o valor mais elevado para a produção específica de gás seco foi obtido na gasificação de estilha de pinheiro com razão de equivalência de 0.29. Através da estabilidade dos perfis de temperatura e de composição do gás foi possível concluir que o reator é adequado ao processo de gasificação de diferentes tipos de biomassa e permite produzir gás qualidade suficiente para este suportar de forma continua uma chama estável num queimador de gás.

Gasification is a thermochemical process that allows the transformation of a solid fuel into a combustible gas with potential to replace fossil fuels in some applications. Nonetheless, to make progress in this regard, it is necessary to overcome the limitations presented by the process, in terms of process stability and produced gas quality. The goal of the present work is to analyse the influence of the characteristics of the biomass and the injection of secondary in the characteristics of the gas produced. In this work several experiences of direct gasification with air and with two types of biomass, namely pine chip and wood pellets, were carried out. The infrastructure where the experiments took place is in the Department of Environment and Planning of the University of Aveiro, and consists of a pilot scale fluidized bed reactor with a height of 3m, with a nominal power between 40 and 70 kWth. the gasification chamber is 2.25 m high and 0.25 m internal diameter. The bed used in the experiments consists of sand with a particle size of less than 1mm and has a fixed height of 0.23m. The infrastructure provides conditions for the gasification of biomass and to determine the composition of the gas produced in terms of CO, CO2, H2, N2, CH4 and C2H4, and allows to burn the gas in a burner located downstream of the reactor. During the operation of the reactor, the fluidized bed presented average temperatures between 793 and 828ºC, with established equivalence ratios between 0.16 and 0.29, where the composition of the gas produced in volumetric terms was between 4.8 and 10.3% H2, 11.9 and 18.5% CO, 10.3 and 16.0% CO2, 3.2 and 5.4% CH4, 1.3 to 2.1% C2H4, with an increase of the CO content in the experiments with secondary air injection. The highest concentration of all gases was observed in the experiment with pellets with equivalence ratio of 0.20, as well as the maximum value of the lower calorific value. The lower calorific value of the dry gas was between 4.1 and 6.6 MJ/Nm3, and its values tend to increase with the decrease of the equivalence ratio. The specific gas production varied between 1.1 and 1.9 Nm3/kg bs fuel, the carbon conversion efficiency between 39 and 75% and the cold gas efficiency between 29 and 55%. In the case of pine chip feed, the three previous parameters tend to increase for higher equivalence ratios, already in the case of pellet feed, there will be no significant changes for the specific gas production, but in the other parameters it was verified that the values were higher for lower equivalence ratios. The highest values in terms of cold gas efficiency and carbon conversion efficiency were obtained in the pellet experiment at an equivalence ratio of 0.20, while the highest value for specific dry gas production was obtained in the gasification of pine chip with an equivalence ratio of 0.29. Through the stability of the temperature and gas composition profiles, it was possible to conclude that the reactor is suitable for gasification of different types of biomass and it was possible to produce gas with appropriate quality to maintain a stable flame in a gas burner.