Gasificação de carbonizado com CO2 em leito fluidizado

Abstract

As reações de gasificação dos carbonizados apresentam um grande interesse na área da engenharia e na conversão de energia a partir de carvões e da biomassa. Esta dissertação apresenta uma contribuição para o estudo cinético das reações heterogéneas de gasificação de carbonizados em leito fluidizado borbulhante. Neste âmbito foi efetuada uma pesquisa bibliográfica sobre as reações heterogéneas de gasificação de carbonizados com CO2 e H2O, bem como a formação e emissão de fuligem. Na continuidade de trabalhos anteriores foram realizados estudos experimentais adicionais sobre a reação de Boudouart com carbonizados de origem vegetal em reatores de leito fluidizado laboratorial e foi avaliada a formação de fuligem que ocorre em simultâneo. Os ensaios experimentais foram realizados através da preparação de misturas gasosas com concentrações de 5%, 10% e 20% de CO2 numa gama de temperaturas compreendida entre 780 e 930 °C com cargas de ca. 5gr de carbonizados de granulometria compreendida entre 710 e 1000 μm, tendo sido medido as concentrações de saída em termos de CO2 e CO e a presença de fuligem. O modelo de análise dos resultados experimentais inclui a avaliação do efeito do transporte difusivo e convectivo em leito fluidizado, na camada limite externa das partículas, assim como a determinação da velocidade de reacção química heterogénea de consumo de CO2 e formação de CO. Os resultados obtidos em relação à formação de fuligem mostram que a quantidade emitida aparenta seguir uma curva bell-shaped em função da temperatura, que diminui com um aumento da concentração de reagente, que ocorre sob a forma de uma camada de pequenas partículas aderentes à superfície das partículas reactivas de carbonisado de cada ensaio e que representa menos de 1% em massa em carbono em todo o processo. A análise da conversão de CO2 mostra que esta é mais elevada às temperaturas mais altas, sendo ainda mais elevadas para as concentrações mais baixas de CO2. A velocidade específica de gasificação é constante ao longo do tempo nos ensaios a 5% de CO2, mas diminui ao longo dos ensaios a 10% e 20%. A aplicação do modelo desenvolvido mostra que as velocidades são tanto maiores quanto maior for a concentração do reagente e a temperatura do reator. A análise às resistências encontradas mostra que as limitações à velocidade de reação são essencialmente cinéticas. As velocidades globais de desaparecimento de CO2 variam entre 4,88x10-7 e 9,34x10-9 molCO2·cmr-3·s-1 e que as velocidades de formação de CO são sensivelmente o dobro da velocidade de desaparecimento de CO2. As concentrações na interface variam entre 1,80x10-6 e 5,09x10-7 molCO2.cmf-3 para o CO2, e entre 6,83x10-7 e 3,98x10-8 molCO.cmf-3 para o CO. O fator pré-exponencial e a energia de ativação obtidos para a reacção heterogénea de primeira ordem de gasificação de carbonisado com CO2 são, respetivamente, para 5% 209kJ·mol-1 e 2,5x108 cmf3·gc-1·s-1; para 10% 205kJ·mol-1 e 1,2x108 cmf3·gc-1·s-1; para 20% 109kJ·mol-1 e 3,9x103 cmf3·gc-1·s-1.

There is a profound interest in the engineering and energetic conversion fields about the charcoal gasification conversion of coal and biomass. This dissertation presents a contribution to the kinetic study of char heterogeneous gasification in a bubbling fluidized bed. A bibliographic review about charcoal heterogeneous reaction with CO2 and H2O, and soot formation and emission, were made and presented in this work. In the continuation of previous works, aditional studies about the Boudouart reaction with biomass char in a laboratory fluidized bed and the simultaneous soot emission were made. The experiments were made with 5%, 10% and 20% CO2 in mixture concentration, within a temperature range of 780 to 930 °C, charcoal load of ca. 5gr with particle size between 710 and 1000 μm, measuring CO2 and CO exit concentrations as well as soot emission. The experiments results analisys model includes a diffusive and convective transport effect in the particles boundary layer in fluidized bed avaliation and also the velocity and concentration of CO2 consumption and CO formation. The results obtained regarding the soot shows that its emissions follow a bell-shaped curve in function with temperature, decrease with an increase of reactant concentration, occurs in the form of small particles which attach in the char particle surface and represents less than 1% of the total carbon mass in the overall process. It was shown that the CO2 conversion is higher when the highest temperatures occurs, but even higher for the smallest CO2 concentration. The specific gasification velocity is constant alongside the 5% experiments, but it decreases alongside the 10% and 20% experiments. The velocities are higher as the reactant concentration and reactor temperatures are higher, as showed by the desenvolved model. The resistances calculated show that the reaction rate limitations are essentially kinetics. The global CO2 consumption rate varies between 4,88x10-7 and 9,34x10-9 molCO2·cmr-3·s-1 and the CO formation rate are substantially twice of the CO2 comsumption rate. The boundary concentrations vary between 1,80x10-6 and 5,09x10-7 molCO2·cmf-3 for CO2, and between 6,83x10-7 and 3,98x10-8 molCO·cmf-3 for CO. The pre-exponencial factors and activation energies obtained are, respectively, 209kJ·mol-1 e 2,5x108 cmf3·gc-1·s-1 for 5%; 205kJ·mol-1 e 1,2x108 cmf3·gc-1·s-1 for 10%; 109kJ·mol-1 e 3,9x103 cmf3·gc-1·s-1 for 20%.