Tema 3 “Gaseifica Gaseifica Gaseificação de biomassa de ... - Apta

Workshop Workshop de de de Tecnologias Tecnologias Tecnologias BTL
BTL
(Biomass Biomass to Liquid Liquid)
Liquid
Tema Tema 3
3
“Gaseifica
Gaseifica
Gaseificação
Gaseifica ão ão
de de biomassa
biomassa”
biomassa
Prof. Dr.Electo Silva Lora
electo@unifei.edu.br

Rotas de conversão da biomassa lignocelulósica em
biocombustíveis
• Rota bioquímica: hidrólise e fermentação foram objeto de
análise dos workshops anteriores e apresentam sérios desafios
tecnológicos.
• Rota termoquímica: representada pela pirólise e/ou
gaseificação da biomassa, passa pela obtenção de gás de
síntese, seguido da síntese catalítica ou da fermentação, o que
torna possível a obtenção de hidrocarbonetos, álcoois,
hidrogênio, amônia, gás natural sintético, etc. Esta rota, também
apresenta uma série de desafios que serão discutidos neste
workshop BTL.

Conversão termoquímica da biomassa em ausência
de oxigênio. Existem três produtos: gases, líquidos
e sólidos (carvão). A fração resultante de cada
produto depende da temperatura e pressão no
reator e do tempo de residência dos sólidos no
mesmo. Existem diferentes tipos de processos:
• Pirólise rápida
• Carvoejamento
• Pirólise a vácuo, etc.
Pir Pirólise Pir lise
Na produção de biocombustíveis a mais utilizada é a pirólise
rápida ou fast pyrolysis, devido à predominância da fração de
líquidos.

Gaseifica
Gaseificação
Gaseifica ão
Conversão termoquímica da biomassa, com
fornecimento de oxigênio em quantidades subestequiométricas,
num gás com altos teores de CO,
H 2 e CH 4. A composição do gás e seu poder
calorífico dependem do gás utilizado como agente
de gaseificação e da pressão no reator.

Gás s de ssíntese
s
ntese
Mistura de gases de composição química variada
(basicamente H 2 e CO), obtido a partir da gaseificação
da biomassa (natural ou previamente pirolisada), com
potencial aplicação para a síntese de diversos
compostos químicos.
No caso da tecnologia BTL o interesse está na obtenção
de compostos com propriedades semelhantes aos
combustíveis automotivos de origem fóssil.

Parâmetros do processo
Os processos de síntese de combustíveis apresentam uma série
de requerimentos em relação com:
• Pressão e temperatura no reator
• Tipo de catalisador utilizado
• Relação H 2/CO no gás de síntese
A relação H 2/CO pode ser ajustada durante o condicionamento do
gás utilizando-se a reação de shift.
Outro fator importante é a qualidade do gás, no que diz respeito
aos teores de H 2S e outros compostos sulfurosos, partículas,
alcatrão e compostos alcalinos. A qualidade requerida do gás
depende de qual é o processo que utiliza o gás de síntese como
matéria-prima.

Tabela 1 – Parâmetros de processo e relação de H2/CO para
diferentes processos de síntese.
Tabela 2 – Parâmetros de qualidade do gás de síntese.

Etapas Etapas da da rota rota termoqu termoquímica.
termoqu mica.

Viabilidade dos processos BTL - Escala
• A síntese de biocombustíveis mostra bons indicadores de
viabilidade econômica apenas quando utilizada em larga escala.
• Alguns estudos indicam valores maiores que 1.700 MW térmicos
de energia da biomassa.
• Outros se referem a 5.10 6 toneladas de biomassa por ano como
mínimo econômico.
• Isto faz com que os gaseificadores de leito fixo (moving bed) ou
borbulhante, típicos de capacidades térmicas pequenas não
sejam perspectivos para projetos industriais de produção de gás
de síntese para biocombustíveis.

Viabilidade dos processos BTL
Custo do O 2 e pressão de operação
• As plantas de produção de O 2 apresentam custos
relativamente desproporcionais para plantas de
pequena capacidade.
•A maioria dos processos de síntese de biocombustíveis
acontece a altas pressões, portanto é natural que se
prefira a opção de gaseificação pressurizada.

Requerimentos da gaseificação para
gas de sintese (I)
• Capacidades de processamento superiores a 5.10 6 toneladas de
biomassa por ano.
• Teor reduzido de impurezas no gás.
• Teor máximo de H 2 e CO (altos teores de H 2).

Requerimentos da gaseificação para
gas de sintese (II)
• Uso de oxigênio como agente de gaseificação, a fim de evitar a
presença de N 2 no gás de síntese.
• Injeção de vapor, que serve para a reforma e como moderador
de temperatura.
• Simplicidade de processo e baixos custos de operação e
manutenção.

Opções tecnológicas de gaseificação para produção de
gás de síntese.

Coment Comentários Coment rios I
• Os gaseificadores de leito arrastado, embora facilmente
escaláveis, exigem uma granulometria muito fina da biomassa,
difícil de alcançar tecnicamente (alto consumo de potência). O
pré-tratamento por torrefação facilita o processo de redução
granulométrica. Por este motivo propõe-se pirolisar previamente a
biomassa para sua posterior gaseificação nebulizada.
• A gaseificação utilizando misturas de O 2 e vapor garante
concentrações de H 2 e CO, mais ou menos iguais e de
aproximadamente 40%. O custo do processo de separação de ar
para a obtenção do O 2 necessário é um fator a ser considerado,
além do necessário ajuste da relação H 2 /CO.

Coment Comentários Coment rios II
• A gaseificação com vapor produz um gás com teores
consideráveis de CO 2 que deve ser removido do mesmo por
adsorção utilizando CaO/CaCO 3 como reagente (processo AER).
• Os gaseificadores com aquecimento indireto produzem um gás
com teor de H 2 variando de 40 a 43% e CO variando de 15 a 30%
(gaseificadores DMT e FICFB). Porém, a utilização do material do
leito como portador de calor complica a construção e operação do
equipamento, já que o mesmo circula entre o reator ou seção de
gaseificação e de combustão.

Gaseificadores Gaseificadores / ggás
g
s de de ssíntese
s
ntese I
I
• Renugas (IGT): Leito Fluidizado Borbulhante,
vapor + O 2.
• Carbo V (pirólise + gaseificação): Leito
Fluidizado Borbulhante, O 2.
• HTW (High Temperature Winkler): O2 vapor.
• DMT: aquecimento indireto (vapor como
portador de calor).
+

Gaseificadores Gaseificadores / ggás
g
s de de ssíntese
s
ntese I I I
• Batelle/Ferco: Leito Fluidizado Duplo de
aquecimento indireto.
•FICFB (Fast Internally Fluidized Bed): Planta
de Güssing na Áustria.
• Processo AER: gaseificação com vapor.
• Gaseificadores de leito arrastado da Shell,
Siemens, Lurgi e Texaco.

Pesquisa em gaseificação para gás de sintese
• Universidade de Delft na Holanda: gaseificação em leito
fluidizado circulante com vapor e O 2.
• ECN (Energy Research Centre of Netherlands) na Holanda:
gaseificador BIVKIN tipo LFC, é um de leito arrastado, destaca-se
a tecnologia OLGA de tratamento do gás.
• CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas,
Medioambientales y Tecnológicas) na Espanha: planta de
gaseificação de biomassa (LFC) com ar na primeira etapa de
testes.
• VTT (Technical Research Centre of Finland) na Finlândia:
gaseificação em leito fluidizado pressurizado (O 2 + vapor).

Universidade de Delft

CIEMAT

CIEMAT

Perspectivas do processo BTL no Brasil
• Deve-se insistir no desenvolvimento próprio de equipamentos,
processos e operação de gaseificadores o que permitirá a tomada
de decisões acertadas no futuro.
• Precisa-se do projeto e testes de unidades pilotos de
gaseificação a partir da cooperação de universidades e centros
de pesquisa (UNIFEI, IPT, Unicamp e UFPA) com fabricantes
(Termoquip) e empresas interessadas (Petrobrás, Oxiteno,
BRASKEM, etc).
• É possível também a implementação de projetos conjuntos em
centros de pesquisa no exterior (Universidade de Delft, CIEMAT,
VTT, ECN, etc.)

Tecnologia que apresenta maior potencial no
Brasil
• A família (LFC com O 2 /vapor) parece ser tecnologicamente mais
simples, já que não envolve a circulação de sólidos ou gases de
um reator a outro, e o controle da mesma.
• A matéria-prima barata diminui as exigências em relação à
eficiência do processo de gaseificação e da planta BTL em geral.
• O custo da eletricidade compreende a maior fração no custo de
operação de uma planta de separação de ar (30 a 60 % do custo
total de operação), portanto o baixo custo de eletricidade constitui
um fator a favor da gaseificação com O 2 e vapor.

Tecnologias para produção de O 2
• Criogênicas (destilação a baixa temperatura): elas possuem
maior viabilidade para grandes volumes de O 2 .
• Não criogênicas: baseia-se nas diferenças em propriedades
entre diferentes compostos gasosos, tais como: estrutura
molecular, tamanho e massa nos diferentes compostos gasosos.
São empregados dois tipos de tecnologia: adsorção e
membranas. Esta alternativa é preferida quando não se requer
uma alta qualidade do produto e/ou um volume pequeno (< 100
t/dia).
• ITM (Ion Transport Membrane) que utiliza membranas não
porosas, de misturas de íons e condutoras de elétrons que
operam de 800 a 900ºC. A estrutura cristalina incorpora
vancâncias de íons de oxigênio através das quais ele migra.

Viabilidade para desenvolvimento comercial de
catalisadores para reformar os produtos da pirólise
• Catálise in situ: catalisadores colocados diretamente no reator
de gaseificação. Catalisadores base níquel - rápida desativação.
Erosão e elutriação de catalisadores não metálicos
• Catálise downstream (a jusante) do gaseificador: método efetivo
de remoção de alcatrão (catalisadores tipo dolomita, níquel e
alumina). Desativação progressiva por deposição de coque. A
adição de compostos de potássio reduz a formação de carbono.

• A fim de retardar a desativação do catalisador é conveniente a
remoção das partículas contidas no gás.
• Espera-se que nos próximos anos os sistemas de limpeza a
quente estejam comercialmente disponíveis.
• Filtros cerâmicos de alta temperatura testados num gaseificador
pressurizado atingiram 8.000 h de operação.
• A Universidade de Delft está testando filtros da empresa PALL
Schumacher com limpeza por pulsos de pressão (CPP).
Eficiências de separação de 99,999% têm sido atingidas.
• O NEST/UNIFEI junto com a Termoquip Energia Alternativa
Ltda. testaram um sistema de limpeza catalítica (base Ni)
acoplado a um gaseificador de fluxo cruzado.

No Brasil várias universidades possuem grupos de pesquisa com
alto nível no desenvolvimento de catalisadores. Dentre deles o
• CENPES-Petrobras
• Grupo de catálise (DEQ/UFRN)
• Grupo de Estudos em cinética e catálise (IQ/UFBA)
• Grupo de Peneiras moleculares (IQ/UNICAMP) e outros para
um total de 41 grupos de pesquisa no país.
É possível, sim, trabalhar no desenvolvimento de novos
catalisadores. A regeneração do catalisador com vapor ou ar é
um tema que atualmente está sendo pesquisado.

Ações governamentais e da iniciativa privada
para consolidar esta tecnologia
• Implementação de linhas de financiamento temáticas para o
desenvolvimento de sistemas de gaseificação de LFC (O 2 +
vapor) e de pirólise + gaseificador de leito arrastado.
• Desenvolvimento de sistemas de limpeza do gás e de novos
catalisadores incluindo universidades, centros de pesquisas e
empresas privadas.
• Implementação de linhas de financiamento para projetos
conjuntos com instituições européias com experiência em estudos
de gaseificação visando a produção de gás de síntese.

• Bolsas de pós-graduação (incluindo Doutorados Sandwich).
• Implementação pela Petrobrás de uma planta piloto para o teste
de diferentes opções tecnológicas de gaseificação para o gás de
síntese.
• Participação em projetos, eventos e escolas de verão
especializados no assunto (RENEW e SYNBIOS).
• Solução para o problema da contratação de pequisadores pelos
grupos de pesquisa.

Atividades do NEST em biocombustíveis
Gaseificação: eletricidade e gás de sintese.
Comparação técnico-econômica das
plataformas biologicas e termoquimicas.
Bio-H 2 -obtenção e utilização em células SOFC
ACV do biodiesel, FT-Metanol e bio-H 2 .
Tratamento de resíduos: vinhaça (ACV e
biodigestão).
Integração energética em destilarias.
Livro- Biocombustíveis

Gaseificação no NEST
Geração de eletricidade