Simulação da gaseificação de biomassa lignocelulósica : estudo dos efeitos da umidade, razão de equivalência e injeção de oxigênio

Abstract

Resumo: Diversos estudos buscam melhorar os processos de gaseificação. Neste sentido, processos de simulação e modelagem são extremamente necessários, pois permitem uma variação de parâmetros para respostas otimizadas, além de apresentar um custo relativamente baixo. O presente trabalho objetivou-se em realizar a simulação de um processo de gaseificação de biomassa de Capim Elefante e Eucalipto utilizando o software Comprehensive Fluidized and Mobile Bed Simulator (CeSFaMB ©), a fim de analisar a variação do Poder Calorífico Inferior (PCI) e da concentração de algumas espécies (C02, CH4, H2 e C0) no gás de saída com base na alteração de parâmetros, além de propor uma possível rota de utilização para o gás produzido. O modelo virtual criado neste trabalho, foi validado comparando os resultados obtidos na simulação com um experimento prático. Foi utilizado reator de leito fixo e fluxo concorrente, alimentado com biomassa em discos. A simulação apresentou um gás com PCI de 3,45 MJ/Nm³, perfil de temperatura da zona de combustão de 999,5°C, para uma umidade de 17% da biomassa, ar como agente de gaseificação e razão de equivalência de 0,11. Os valores das simulações se aproximaram aos dados experimentais. A variação da razão de equivalência para valores inferiores a 0,10 proporcionou um gás com maior poder calorífico, porém, quanto maior o PCI menor o fluxo de gás produzido. À medida que a razão de equivalência aumentou, percebeu-se um aumento de C02, que pode ter relação com o aumento da reação de combustão. A substituição do ar por oxigênio como agente de gaseificação, provocou ganhos substanciais no processo com aumento do PCI e aumento das concentrações de H2, CH4 e C0. A umidade da biomassa provocou pequenas mudanças no gás produzido. De modo geral a biomassa de eucalipto apresentou resultados superiores à biomassa de capim elefante. Destaca-se a configuração onde a umidade da biomassa de eucalipto era de 6%, o agente de gaseificação era oxigênio e a razão de equivalência foi de 0,11, o gás de saída apresentou um PCI de 8,08 M] kg-1. A aplicação deste gás em um ciclo com motor adaptado para queima de gás acoplado a um gerador, com um rendimento combinado de 28% possibilita a geração de 3.488,65 GWh de energia elétrica com o resíduo da cadeia produtiva de Eucalipto no estado de Minas Gerais. A energia seria gerada em usinas alocadas próximas aos centros de geração de biomassa, ao todo foram alocadas 91 usinas com potência instalada entre 4,5 a 5 MW, e injetada na rede de distribuição através da normativa 482 da ANEEL. Com os resultados obtidos, pode-se comprovar que o CeSFaMB © é uma excelente ferramenta de simulação para processos de conversão termoquímicos e que a utilização de resíduos de biomassa para geração de energia pode ser uma solução para pequenos municípios em regiões remotas.

Abstract: Several studies seek to improve gasification processes. In this sense, simulation and modeling processes are extremely necessary, as they allow a variation of parameters for optimized responses, in addition to presenting a relatively low cost. The objective of this work was to perform a simulation of a biomass gasification process of Elephant Grass and Eucalyptus using the Comprehensive Fluidized and Mobile Bed Simulator (CeSFaMB ©) software, in order to analyze the variation of the Lower Heating Value (LHV) and the concentration of some species (C02, CH4, H2 e C0) in the output gas by changing parameters, in addition to proposing a possible route of use for the produced gas. The virtual model created in this work was validated comparing the results obtained in the simulation with a practical experimente. A fixed bed and concurrent flow reactor was used, fed with biomass in disks. The simulation presented a gas with LHV of 3,45 MJ/Nm³, combustion zone temperature profiles of 999.5°C, for a moisture content of 17% of biomass, air as a gasification agent and equivalence ratio of 0.11. The values were very close to the experimental results. The variation in the equivalence ratio provides a gas with greater calorific power for values less than 0.10, but the higher the LHV, the lower the gas flow produced. As the equivalence ratio increased, an increase in C02 which may be related to increased combustion reaction. The replacement of air by oxygen as a gasification agent, caused substantial gains in the process with increased LHV and increased concentrations of H2 CH4 and C0. Biomass moisture caused small changes in the gas produced. In general, eucalyptus biomass showed superior results than elephant grass biomass. Noteworthy is the configuration where the eucalyptus biomass had 6% moisture, the gasification agent was oxygen and the equivalence ratio was 0.11, with a LHV for the exit gas of 8,08 M] kg-1. The application of this gas in a cycle with an adapted engine and a combined efficiency of 28% enables the generation of 3,488.65 GWh of electricity from the residue of the Eucalyptus production chain in the state of Minas Gerais. The energy would be generated in plants located close to the biomass generation centers, a total of 91 plants with installed capacity between 4.5 and 5 MW were allocated, and injected into the distribution network through ANEEL regulation 482. With the results obtained, it can be proved that CeSFaMB © is an excellent simulation tool for thermochemical conversion processes and that the use of biomass residues for energy generation can be a solution for small municipalities in remote regions.