Gasificação de biomassa num reator de leito fluidizado à escala piloto

Abstract

A gasificação de biomassa permite a produção de um gás combustível com capacidade para reduzir o consumo de combustíveis fósseis. Contudo, para promover a utilização deste processo a nível industrial é necessário ultrapassar diversas limitações e elaborar tecnologias de gasificação que sejam mais rentáveis e eficientes. No presente trabalho efetuou-se a gasificação direta com ar, num reator auto-térmico com um leito fluidizado borbulhante, de diferentes tipos de biomassa provenientes da floresta portuguesa, nomeadamente pellets de madeira e diferentes tipos de biomassa florestal residual derivada de eucalipto. A investigação foi realizada numa instalação à escala piloto localizada no Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro. A infraestrutura foi desenvolvida de modo a permitir o estudo do processo de gasificação de biomassa. O reator utilizado apresenta 3 metros de altura, consistindo a câmara de gasificação em 2.25 metros, 0.25 metros de diâmetro interno e uma potência entre 40 e 70 kWth. O leito é composto por areia (partículas com granulometria entre os 355 e 1000 µm) e tem uma altura de 0.23 m. A infraestrutura experimental oferece condições para efetuar a gasificação de biomassa, determinar a composição do gás produzido em termos de CO, CO2, H2, N2, CH4 e C2H4 e efetuar a sua combustão num queimador localizado a jusante do reator. O leito fluidizado operou com temperaturas médias entre os 700 e 850ºC. Para as razões de equivalência estabelecidas, entre 0.17 e 0.36, o gás seco apresentou uma composição que, em termos volumétricos e em função das condições operatórias, variou entre 14.0 a 21.4% CO, 14.2 a 17.5% CO2, 3.6 a 5.8% CH4, 1.3 a 2.4% C2H4, 2.0 a 10.2% H2 e 48.9 a 61.1% N2. A maior concentração de CO, CH4 e C2H4 foi observada durante a gasificação de biomassa residual florestal derivada de eucalipto com razão de equivalência de 0.17, contudo, a maior concentração de H2 foi obtida na gasificação de pellets de madeira com razão de equivalência de 0.25. Tendo em conta a composição gasosa, o poder calorífico inferior do gás seco encontrou-se entre 4.4 e 6.9 MJ/Nm3 e os valores mais elevados foram observados durante os processos de gasificação efetuados com menor razão de equivalência. A produção específica de gás variou entre 1.2 e 2.2 Nm3/kg biomassa bs, a eficiência do gás arrefecido entre 41.1 e 62.6% e a eficiência de conversão de carbono entre 60.0 e 87.5%, encontrando-se na gama dos valores reportados na literatura. A melhor condição, em termos da eficiência de gás arrefecido, consistiu na gasificação de biomassa residual florestal derivada de eucalipto com razão de equivalência de 0.25, e em termos da produção específica de gás seco e eficiência de conversão de carbono, na gasificação de biomassa residual florestal derivada de eucalipto com razão de equivalência de 0.35. Contudo, o gás com maior poder calorífico inferior foi obtido durante a gasificação de biomassa residual florestal derivada de eucalipto com razão de equivalência de 0.17. O reator demonstrou adequabilidade na gasificação de diferentes tipos de biomassa e foram observadas condições estáveis de operação, tanto em termos de temperatura como da composição do gás produzido. Geralmente, o gás apresentou propriedades combustíveis apropriadas para ser comburido de forma contínua e estável pelo queimador de gás, sem ser necessária uma fonte de ignição permanente ou a utilização de um combustível auxiliar.

The gasification of biomass allows the production of a combustible gas with potential to reduce the consumption of fossil fuels. However, to increase the applicability and subsequent usage of this process at industrial level it is necessary to overcome diverse limitations and to design gasification technologies with higher profitability and efficiency. In the present work, direct gasification with air of biomass from the Portuguese forests, namely wood pellets and different types of residual forest biomass from eucalyptus, was executed in an auto thermal reactor with a bubbling fluidized bed. The research was performed in a pilot facility located at the Department of Environment and Planning in the University of Aveiro. The experimental facility was developed in order to allow the study of the biomass gasification process. The reactor used has 3 meters of height, consisting the gasification chamber in 2.25 meters, 0.25 meters of internal diameter and a power between 40 and 70 kWth. The bed is composed by sand (particles with granulometry between 355 and 1000 µm) and has a height of 0.23 m. The facility provides conditions to perform the gasification of biomass, determine the composition of the produced gas in terms of CO, CO2, H2, N2, CH4 and C2H4 and perform its combustion in a burner downstream of the reactor. The fluidized bed was operated with average temperatures in the range of 700 to 850ºC. For the operating conditions used, namely equivalence ratios in the range of 0.17 to 0.36, the dry gas presented a composition, in volumetric terms and dependent on the operating conditions, comprehended between 14.0 to 21.4% CO, 14.2 to 17.5% CO2, 3.6 to 5.8% CH4, 1.3 to 2.4% C2H4, 2.0 to 10.2% H2 and 48.9 to 61.1% N2. The highest concentration of CO, CH4 and C2H4 was observed during the gasification of residual forest biomass from eucalyptus with an equivalence ratio of 0.17, however, the highest concentration of H2 was obtained in the gasification of wood pellets with an equivalence ratio of 0.25. Taking the gas composition in account, the lower calorific value of the dry gas was found between 4.4 and 6.9 MJ/Nm3 and the highest values were observed during the trials performed with lower equivalence ratio. The specific dry gas production was comprehended between 1.2 and 2.2 Nm3/kg biomass db, the cold gas efficiency between 41.1 and 62.6% and the carbon conversion efficiency between 60.0 and 87.5%. These values are in agreement with the values found in the literature. The best operation, in terms of cold gas efficiency, was achieved in the gasification of residual forest biomass from eucalyptus with an equivalence ratio of 0.25, and, in terms of specific dry gas production and carbon conversion efficiency, in the gasification of residual forest biomass from eucalyptus with an equivalence ratio of 0.35. However, the gas with highest lower calorific value was obtained during the gasification of residual forest biomass from eucalyptus with an equivalence ratio of 0.17. The reactor showed suitability in the gasification of different types of biomass, and stable conditions of operation, in terms of bed temperature and produced gas composition, were achieved. Generally, the gas presented sufficient combustible proprieties to be burnt stably by the combustion system without the necessity of an auxiliary fuel or a permanent ignition source.