Biomassa: Combustão e gaseificação para a substituição do gás natural

Biomassa: Combustão e gaseificação para a substituição do gás natural

A considerável necessidade de gás natural é um dos principais problemas para o balanço energético da Ucrânia. Levando em conta o alto volume e o alto custo de importação, fica claro que os esforços dos cientistas, engenheiros e empresários estão focados em resolver a questão da economia de energia e da substituição do gás natural por fontes alternativas de energia

A biomassa é considerada uma das fontes de energia alternativas mais significativas. As avaliações do potencial de biofontes da Ucrânia variam amplamente. Com base em um cenário otimista, o potencial é composto por não menos de 4,16 M de toneladas equivalentes de petróleo, incluindo a turfa em 0,52 M; resíduos de madeira em 1,1 M; e palha em 2,54 M de toneladas [1]. Levando em conta uma oportunidade para aumentar a biomassa em terra vazia, o seu rendimento é esperado como sendo superior a 21 M de toneladas de óleo equivalente [2]. Desta forma, o biopotencial da Ucrânia poderia permitir a substituição do volume de gás natural que varia entre 4,3 até 25,6 bilhões de m3.

Os Problemas e as Prospecções para o Uso de Biocombustíveis

A eficiência de custo do projeto é o critério fundamental para a decisão sobre a utilização de biocombustíveis. Na Ucrânia, o custo do gás natural é de duas a três vezes maior do que o custo do biocombustível, num volume equivalente ao do gás natural em termos do seu potencial de energia. A disponibilidade de tecnologias e equipamentos comprovados é outro fator importante, que determinará o uso de biocombustíveis em processos tecnológicos. Portanto, a tarefa de criar objetos industriais confiáveis e eficientes em termos de custos (com os mínimos períodos para se pagar) que utilizam a biomassa para a substituição de gás natural, foi fundamental para a definição do programa de trabalho de “pesquisa” em biocombustíveis.

Os potenciais investidores estão interessados principalmente em uma instituição de referência na qual a solução proposta já seja utilizada para que eles possam descobrir mais sobre isso no local. Por este motivo, foi decidido dar início ao desenvolvimento de projetos de demonstração.

Existem dois tipos de tecnologias de utilização de biocombustíveis em processos térmicos, as quais são baseadas em dois princípios diferentes: de combustão direta e de gaseificação. O maior efeito é alcançado para a combustão direta da biomassa pré-tratada em caldeiras ou fornos. A tecnologia de pré-gaseificação da biomassa compete com a combustão direta em diversas aplicações. Qualquer transformação de energia provoca perdas termodinâmicas irreversíveis, o que torna a utilização da energia primária do combustível um pouco menos eficiente do que a combustão direta.

No entanto, a gaseificação tem uma vantagem indiscutível sobre combustão direta quando o projeto se destina especificamente à geração de energia elétrica, vapor de processo, em tecnologias de cogeração e em processos combinados de produção de gás de combustão simultaneamente com o gás natural e no mesmo queimador. O estudo das cadeias tecnológicas que utilizam o gás natural como combustível permitiu o desenvolvimento de critérios para avaliar a aplicabilidade da tecnologia específica de substituição do gás natural [3].

Combustão Direta da Biomassa

Definição de Tarefas

Um exemplo de utilização da tecnologia de biocombustíveis com combustão direta é a solução implementada no forno rotativo de queima da argila refratária na Vatutinsky Refractories, na região de Cherkassy, na Ucrânia. A principal acionista da fábrica é a A.G.S. Corporation (França). O reequipamento técnico do sistema tinha como alvo a redução do uso de gás natural por meio de sua substituição por biocombustíveis pré-tratados. As especificações do forno foram de 75 metros de comprimento, 3,5 metros de diâmetro e produção de 15 toneladas/hora de produto final. O consumo médio de gás antes do projeto era de 2.200 m3/hora. Com base na avaliação dos recursos de biomassa locais por especialistas da fábrica, a casca de girassol foi escolhida como o principal biocombustível, com a possibilidade também da utilização de resíduos de madeira (serragem). A tarefa de mudança para a utilização da biomassa pressupõe o desenvolvimento de requisitos técnicos do combustível e da tecnologia de sua cocombustão com o gás natural.

Especificidades do Processo

Como o primeiro passo para a implementação do projeto foram definidos os requisitos técnicos necessários para assegurar que o combustível satisfizesse a condição de combustão completa das partículas no espaço da combustão. Ao mesmo tempo, o tipo de combustível deveria ser levado em conta. Os parâmetros que determinam a velocidade da combustão são a composição e a umidade das partículas sólidas. O tempo de combustão das partículas foi determinado experimentalmente em uma instalação de leito fluidizado, com transportador de calor inerte, durante a combustão ao ar a 900°C.

Segue-se desta experiência que os resíduos de madeira queimam cerca de duas vezes mais rápido do que as partículas de casca de girassol. O desvio do nível de umidade devido à umidade natural (10-12%) resulta no aumento do seu tempo de queima.

Os resultados da pesquisa são mostrados na Fig. 1. Os dados experimentais sobre a serragem de madeira ficaram completamente de acordo com os resultados da modelagem matemática do processo. O processo de queima da casca de girassol não foi modelado por não haver fontes de dados suficientes disponíveis sobre as propriedades físicas deste combustível.

Outras diferenças entre os processos de combustão da biomassa e do combustível gasoso são as distintas temperaturas de combustão e a quantidade teórica de ar necessária para a queima completa do combustível. No processo de mudança para a utilização da biomassa, as características específicas do seu processo de queima são cruciais. Estas foram determinadas experimentalmente por meio da combustão de partículas de combustível no derivatógrafo [4]. Foram queimadas 162,6 mg de casca de girassol em um copo de platina aberto. Intervalos separados com alternância no sinal de fluxo de calor podem ser apontados no termograma (Fig. 2).

Inicialmente, ocorrem o aquecimento da massa de biocombustíveis e a evaporação da umidade. Este processo é acompanhado por um consumo de energia térmica (os picos 1 nas curvas de DTA e DTG). Após o aquecimento das partículas do combustível a mais de 200°C, o processo da sua destruição começa (pico 2 na curva de DTG). Com a extração das matérias voláteis, a combustão garante uma radiação de calor intenso (pico 2 na curva de DTA). A combustão de partículas de biomassa é completada com a queima de resíduo de coque, e o pico de emissão de calor deste último no processo de queima é indicado com o ponto 3 da curva de DTA.

A conclusão prática a que se chegou com base na análise do termograma foi: a combustão das partículas sólidas deveria ser organizada de forma a reduzir o tempo de evaporação da umidade e de destilação tanto quanto possível. Isto foi realizado com a ajuda de um projeto especial de queimador, o qual assegurou a intensa recirculação de combustível na zona da raiz da chama.
A pesquisa nos permitiu formular as exigências para a queima eficiente do biocombustível nos fornos rotativos (Tabela 1).

Implementação

Os resultados da investigação com os biocombustíveis e as especificidades da sua combustão foram utilizados como fundamentos para a criação de um complexo automatizado com utilização da biomassa como combustível – substituto do gás natural – no forno rotativo. O complexo inclui um depósito de combustível, a linha de transporte pneumático da biomassa, um dispositivo de queimador e um sistema de controle e automação (Fig. 3). O dispositivo do queimador para fornecimento do combustível sólido é instalado na cabeça da estufa acima do queimador de gás (Fig. 4).
Os resultados de substituição parcial do gás natural pelo biocombustível estão apresentados na Tabela 2. Este trabalho para otimizar os modos de operação dos fornos de forma conjunta com combustão de gás natural e de biocombustíveis demonstrou pouca dependência da temperatura do forno sobre a proporção de gás e biocombustível.

Durante a combustão de compostos que queimam em temperaturas médias, o grau de substituição do gás natural atingiu 70%, enquanto no processo de queima de compostos que queimam em temperaturas elevadas foi de até 50%.

O complexo está operando com sucesso desde 2010. O volume anual de substituição de gás natural por biocombustível é de mais de 10 milhões de m3. Todos os fundos investidos no projeto foram reembolsados em menos de um ano. Como um benefício adicional do projeto, novos postos de trabalho foram criados para fornecer biocombustível para a fábrica.

A solução técnica apresentada acima pode ser utilizada com sucesso em uma série de empresas nos setores de metalurgia e de materiais de construção.

Gaseificação da Biomassa: Substituição pelo Gás Produzido

A criação de um complexo com capacidade instalada de 1,8 MW para a gaseificação de lascas de madeira é um exemplo do desenvolvimento e implementação da tecnologia e equipamentos de gaseificação de biomassa. O complexo foi projetado para substituição parcial de gás natural no sistema de aquecimento de caldeira a vapor. Ele inclui: um gerador de gás (Fig. 5a); um sistema de purificação e transporte de gás; um queimador de combustível duplo para a combustão simultânea de gás natural e produzido (Fig. 5b); e um sistema de apoio para a operação automática da caldeira e da caldeira a vapor.

O complexo foi desenvolvido pelo Institute of Gas of the National Academy of Science of Ukraine e está em operação na JSC “Malyn Paper Mill – Weidmann” (Malyn, Região de Zhytomir, Ucrânia) desde janeiro de 2011. Significativas flutuações de carga térmica são características do processo tecnológico da empresa.

A produção média de gás, levando em consideração a mudança de potência, foi de 120 m3/hora em equivalência ao gás natural. Em média, 4,2 kg de lascas de madeira com teor de umidade natural foram utilizados para a substituição de 1 m3 de gás natural. A substituição do gás natural pelo gás produzido não resultou em redução da produtividade da caldeira (Fig. 6). O desenvolvimento de um sistema eficiente de purificação do gás produzido de resinas e itens contendo resina foi um resultado importante deste esforço. A utilização de lascas de madeira para a substituição do gás natural permitiu reduções de custo em relação ao gás natural de mais de 30%.

O gerador de gás descrito acima é uma instalação operando continuamente. Ao mesmo tempo, um gerador de gás orientado para a gaseificação de diferentes tipos de biomassa foi desenvolvido em escala piloto e testado. Os fundamentos utilizados para o desenvolvimento do gerador foram baseados na tecnologia da Sibtermo Company (Krasnoyarsk) aplicado para a gaseificação de linhito para fins de produção de semicoque na Kansk-Achinsk. [5] Os resultados dos testes são apresentados na Tabela 3.

Cerca de 20% da energia é gasto com o resfriamento do corpo do gerador de gás. Esta energia pode ser utilizada para o aquecimento da água de alimentação da caldeira ou para as necessidades técnicas.

Sumário

A substituição do gás natural por biocombustível é comercialmente viável e atraente para muitos países. Duas tecnologias de utilização de biomassa são consideradas neste artigo: combustão direta e gaseificação. Cada uma delas tem suas vantagens e áreas de aplicação. Soluções técnicas pilotos em escala industrial poderiam ser aplicadas de forma eficiente nos setores de manufatura e de energia.

Para mais informações, contate: Prof. Karp Igor, The Gas Institute of Nat. Ac. Sc. of Ukraine, 39 Degtyarivska St., 03113 Kiev, Ucrânia; (380 44) 456 02 83; ingas@i.com.ua.

Referências


[1] Bilodid V., Kouts G. Energy potential of some kinds of alternative fuels and energy consumption estimation for its processing for direct combustion in boilers, Problemy zagalnoyi energetiky (The Problems of General Energy), 2011, №1(24), p.p. 32-39;
[2] Davyi V. Development of Bioenergy – the way to Energy Security and Ecological Purity of Ukraine, Oborudovanie i instrument. Derevoobrabotka (Equipment and Instruments. Wood Processing), 2012, №2, p.p. 68-73;
[3] Karp I., Pyanykh K., Nikitin E. Producer Gas Use in Municipal Heat Energy, Energotekhnologii i resursosberezhenie (Energy Technologies and Resource Saving), 2009, №2, p.p. 18-24;
[4] Snezhkin U., Korinchuk D., Mihajlik V.Composite fuel from peat and biomass. “Poligraf- servis”,Kyiv-2012, 212 p.;
[5] Stepanov S. Industrial Technologies of Coal Processing. Perspectives of Use at Kansk-Achinsk Coal Basin, Krasnoyarsk (Rus), 2002.Published by Krasnoyarsk University, P-79.
Karp Igor
Karp Igor
The Gas Institute of Nat. Ac. Sc. of Ukraine, 39 Degtyarivska St., 03113 Kiev, Ucrânia; (380 44) 456 02 83; ingas@i.com.ua.

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