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Gaseificação

O termo gaseificação é usado para descrever as reações termoquímicas de um combustível sólido (carvão, biomassa) na presença ar ou oxigênio (O2), em quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo teórico para a combustão) e vapor d’água (H2Ovap), com a finalidade de formar gases que podem ser usados como fonte de energia térmica e elétrica, para síntese de produtos químicos e para a produção de combustíveis líquidos (Fischer-Tropsch).

  O principal produto da gaseificação apresenta-se como uma mistura de gases: monóxido de carbono (CO), hidrogênio (H2), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), traços de enxofre (S), outros hidrocarbonetos leves impurezas. A composição final do gás proveniente da gaseificação dependerá, entre outros aspectos, das condições de operação como temperatura, pressão, tempo de residência, das características da matéria prima (matérias voláteis, carbono fixo, cinzas, enxofre, reatividade, etc.), do tipo de reator e das características dos agentes gaseificantes: ar ou oxigênio. A Figura 1 representa, de forma ilustrativa, um gaseificador, mostrando a entrada dos reagentes e saída dos produtos/rejeitos.

Figura 1 – Representação de um Gaseificador.
Fonte: National Energy Technology Laboratory (NETL).

  Os principais componentes da mistura gasosa produzida pela gaseificação são o hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO). Com o uso de oxigênio e vapor d’água, o gás produto, com a ausência de NOx, é chamado de gás de síntese (syngas).

  O fluxograma da Figura 2 apresenta o conceito da geração de energia elétrica em ciclo combinado (IGCC), com gás obtido através da gaseificação de combustíveis sólidos. Esta tecnologia é a que apresenta os melhores rendimentos na geração termelétrica.. O processo inicia com a gaseificação do combustível (carvão, biomassa e outros), obtendo como produto o gás de combustível. Este gás, após sua limpeza, onde são retidos materiais particulados, derivados de enxofre (em alguns casos) e outras impurezas, alimenta o ciclo gás (turbinas a gás) gerando energia elétrica. O gás de combustão, quente, em uma caldeira de recuperação, produz vapor que alimenta uma turbina a vapor gerando mais energia elétrica, sendo que o conjunto de ciclo gás mais ciclo vapor apresentam elevado rendimento.

Figura 2 – Representação de uma planta de IGCC
Fonte: National Energy Technology Laboratory (NETL).

  Quando o gás produzido, através da gaseificação, é um gás de síntese (syngas), este também pode ser utilizado para a produção de combustíveis líquidos (Coal to Liquid) como o Diesel, gasolina, óleos lubrificantes de elevada qualidade produtos químicos (carboquímica) e hidrogênio (Shift).

  Na Tabela 1 apresentam-se resumidamente as reações que ocorrem na gaseificação

Tabela 1 – Principais reações envolvidas na gaseificação.

Tipo de reação Reação Química

Combustão com oxigênio

C   +   O2   à   CO2

Gaseificação com oxigênio

C   +   ½ O2   à   CO

Gaseificação com vapor

C   +   H2O   à   CO   +   H2

Gaseificação com dióxido de carbono (Reação de Boudouard)

C   +   CO2   à   2CO

Reação de Shift

CO   +   H2O   à   CO2   +   H2

Gaseificação com hidrogênio

C   +   2H2   à   CH4

Reação de Metanização

CO   +   3 H2   à   CH4   +   H2O

  Dependendo da quantidade de metano contida no gás produzido pela gaseificação, o seu poder calorífico, poderá ser de 4.000 a 5.500 kcal/Nm3. Após sua limpeza, esse gás será apropriado para produção de produtos químicos (amônia), combustíveis líquido sintéticos (metanol), combustíveis gasosos (metano) ou para uso direto como fonte de energia. Um gás combustível de baixo poder calorífico apresenta cerca de 1.300kcal/Nm3, de médio poder calorífico de 2.500 a 5.500kcal/Nm3 e um de alto poder calorífico aproximadamente de 9.000kcal/Nm3, equivalente ao gás natural.

  Dentre os diversos tipos de gaseificadores destacam-se os de leito fixo (Fixed Bed Gasifier), leito fluidizado (Fluidized Bed Gasifier), leito arrastado (Entrained Flow Gasifier).

  1 – Leito Fixo – A denominação de “leito fixo” é devido à camada de carvão estar suportada dentro do gaseificador por grelhas fixas e apresentando sua espessura mais ou menos constante. Dentro deste leito, o carvão move-se vagarosamente, de cima para baixo, passando por várias zonas distintas, saindo finalmente um resíduo, as cinzas, pelo fundo. Os agentes de gaseificação (vapor e ar, O2 e outros), circulam, geralmente, em contra corrente, de baixo para cima, neste caso, temos o chamado fluxo em contra-corrente.

  2 – Leito Fluidizado – A gaseificação em “leito fluidizado” requer uma alimentação de oxigênio (ou ar) e vapor pressurizado por baixo da tela da câmara de combustão vertical, sendo que o carvão é alimentado por cima, assim o oxigênio e o vapor mantém o carvão moído em suspensão (fluidizado) em constante ebulição para controle da combustão. No processo em leito fluidizado a velocidade dos gases é aquela apenas necessária ao processamento das reações, ainda que não seja suficiente ao arraste das partículas, o qual ocorre no leito fixo. Isto significa que as interações entre fluidos e partículas dão-se com maior intensidade e o processo de gaseificação é mais completo.

  3 – Leito Arrastado – Para este tipo de gaseificador as partículas de carvão precisam ser muito finas (carvão pulverizado) e são gaseificadas na presença de oxigênio (com muito menos freqüência usa-se ar) em fluxo co-corrente. A maioria dos carvões podem ser gaseificados neste tipo de equipamento devido a sua elevada temperatura de operação que funde o carvão e as cinzas, além de proporcionar excelente separação das partículas de carvão dentro do leito evitando aglomeração. Em contrapartida esta elevada temperatura impõe um resfriamento dos gases de saída antes de sua limpeza devido a limitações técnicas destes equipamentos atualmente.

  A Tabela 2 apresenta uma breve comparação entre as três configurações de gaseificadores citadas acima. Já na Figura 3 observam-se exemplos dos gaseificadores discutidos.

  A mais avançada tecnologia utilizando carvão para geração de eletricidade de forma limpa é chamada de Gaseificação integrada com ciclos combinados (Integrated gasification combined cycle – IGCC). Este tipo de processo apresenta maior eficiência energética que aquela conseguida pelas plantas convencionais de carvão pulverizado. A IGCC promove uma significativa redução na emissão de poluentes quando comparado com tecnologias convencionais, reduzindo 33% do NOx, 75% do SOx, com praticamente ausência de emissão de particulados. Uma planta IGCC usa de 30 a 40% menos água do que outras plantas de geração de energia convencional.

Tabela 2 – Comparação entre os tipos de gaseificadores.

Regime de fluxo Leito Fixo ou móvel Leito Fluidizado Leito Arrastado

Analogia a combustão

Combustor por grade

Combustor por leito fluidizado

Combustor de carvão pulverizado

Tipo de Combustível

Somente sólido

Somente sólido

Sólidos ou Líquidos

Tamanho do combustível

5 – 50 mm

0,5 – 5 mm

< 500 microns

Tempo de Residência

15 – 30 minutos

5 – 50 segundos

1 – 10 segundos

Oxidante

Ar ou oxigênio

Ar ou oxigênio

Quase sempre oxigênio

Temp. do gás de saída

400 – 500 ºC

700 – 900 ºC

900 – 1400 ºC

Exemplos comerciais

Lurgi dry-ash (non-slagging),
 BGL (slagging).

IGT U-Gas, HT Winkler,  KRW

GE (Texaco), Shell, Prenflo,  E-Gas, Noell

Comentários

Leito móvel é mecanicamente agitado, o leito fixo não.

Temperatura do leito está abaixo do ponto de fusão da escória, prevenindo aglomeração das partículas.

Não recomendável para carvão com elevada quantidade de cinzas, devido à elevada temperatura que promove a fusão da escória.

Para o gaseificador em leito móvel o fluxo é sempre em contra-corrente

Sugerido para carvão com elevada quantidade de cinzas e também para gaseificação de rejeitos em geral.

Não recomendável para combustíveis de difícil atomização e pulverização.

 

Figura 2 – Representação de um gaseificador de leito fixo (a), leito fluidizado (b) e leito arrastado (c).
Fonte: National Energy Technology Laboratory (NETL).

  A Figura 3 mostra o conceito da gaseificação do carvão com ciclo combinado (IGCC). O processo começa no gaseificador onde o combustível (carvão, biomassa e outros) é colocado em contato com o oxigênio (ou ar) e vapor iniciando o processo de gaseificação, produzindo, dessa forma, o gás de síntese. Este gás de síntese é esfriado em refrigeradores radiantes de gás, gerando, assim, vapor de alta pressão, este torna-se limpo após remoção de particulados, enxofre e outras impurezas. Após processo de purificação o gás é queimado em turbinas a gás para produzir energia elétrica. O calor residual da combustão do gás existente nas turbinas a gás é também usado para produzir vapor que moverá uma turbina a vapor gerando energia elétrica adicional. Aproximadamente 2/3 da energia produzida numa planta IGCC provém da turbina a gás. Depois de abastecer de energia as instalações da planta, a produção líquida de energia elétrica é enviada ao sistema de transmissão e distribuição.

  Além de energia elétrica, esta planta pode co-produzir valiosas substâncias químicas e combustíveis limpos para transportes. Neste caso, o gás de carvão de síntese limpo, ao invés de ser queimado diretamente nas turbinas a gás, passa por um reator de síntese onde o monóxido de carbono e o hidrogênio são cataliticamente combinados para formar substâncias químicas de alto valor e combustíveis para com emissões extremamente baixas. Depois da produção de combustíveis e recuperação de substâncias químicas, o gás de síntese não convertido é enviado para planta de ciclo combinado para produzir energia elétrica.

  Um grande volume do gás de síntese, que antes era usado para produzir energia elétrica, agora passa a produzir combustíveis e produtos químicos. Assim, nas instalações de IGCC, para gerar a mesma quantidade de energia elétrica, injetada na linha de transmissão, utiliza-se gás natural que é queimado nas turbinas a gás, compensando o gás de síntese usado para produzir combustíveis e substâncias químicas. Deste modo, a produção de energia elétrica total na saída da planta pode ser mantida igual na linha de transmissão com as instalações do IGCC.

  O carvão é o único combustível fóssil cujo suprimento permanecerá, durante uma parte do século XXI, existindo em grande quantidade e a custos relativamente baixos. Trata-se, portanto, de um dos principais combustíveis substitutos disponíveis para atenuar a transição da era atual de petróleo e gás natural abundantes para uma fase futura de recursos energéticos renováveis.

  A ciência e tecnologia da gaseificação de carvão e de outros combustíveis sólidos têm avançado significativamente. Este progresso é resultado de uma considerável expansão nos trabalhos de pesquisa e desenvolvimento relacionados aos aspectos físicos e químicos das reações presentes na gaseificação e também nos processos de purificação dos gases e líquidos provenientes do processo, assim tornando a gaseificação um processo limpo e ambientalmente correto para geração de energia e outros produtos químicos. Destacam-se, neste caso, pesquisas dos mecanismos cinéticos das reações, termodinâmica, transferência de massa e calor e fluidodinâmica. Com o uso de todas estas informações, o entendimento e modelagem dos mecanismos envolvidos no processo de gaseificação tornam-se mais favoráveis, possibilitando o projeto de gaseificadores e processos com mais confiabilidade, economia, segurança e ambientalmente corretos. É importante salientar que as propriedades termodinâmicas do carvão são difíceis de serem mensuradas devido à natureza heterogênea e complexa deste material, o que torna o trabalho ainda mais difícil. Diante do avanço nessa área, acredita-se que o futuro do carvão mineral está na gaseificação.

Gaseificação Subterrânea de Carvão in situ Underground Coal Gasification (UCG)

  A gaseificação subterrânea de carvão in situ (UCG – Undergrould Coal Gasification) não é uma idéia nova, esta técnica tem sido empregada pelos soviéticos desde 1930, países como EUA tem acompanhado e estudado esta tecnologia desde 1940 e já realizaram, inclusive, muitos testes de UGC com sucesso.

  O gás produzido na UCG, comumente conhecido como gás de síntese (syngas – mistura de CO e H2) é gerado pelas mesmas reações químicas que ocorrem numa gaseificação convencional (com gaseicadores comerciais), porém, o processo de gaseificação ocorre na própria jazida de carvão subterrânea não minerada.

  Na UCG o oxigênio ou ar e vapor de água são injetados na camada de carvão através de poços perfurados até a jazida, após ignição dá-se início ao processo de gaseificação, o gás produzido é retirado por um outro poço perfurado até as camadas de carvão. Ao chegar à superfície este gás é enviado para as unidades de limpeza, processamento, transporte e utilização (geração de energia, combustíveis, produtos químicos e etc.). A Figura 1 apresenta a utilização da UCG com a finalidade de produção de gás de síntese para geração de energia elétrica.

Figura 1 – Esquema representativo de uma unidade UCG onde o gás produzido é utilização para geração de eletrecidade. Fonte: Lawrence Livermore National Laboratory – USA.

A gaseificação in situ apresenta algumas vantagens importantes:

  1 – Redução de prejuízos ecológicos, tanto em relação à poluição atmosférica quanto a degradação do solo;

  2 – Acesso às camadas de carvão inacessíveis à mineração convencional devido a profundidade, assim proporcionando exploração comercial para estas áreas de difícil acesso;

  3 – Elimina os problemas relacionados a segurança de trabalhadores da mineração;

  4 – Na gaseificação in situ os custos relacionados ao gaseificador e seus auxiliares são desprezados já que o reator do processo (gaseificador) é a própria camada de carvão;

  5 – Os resíduos da UCG ficam na própria camada de carvão, reduzindo custos com deposição e tratamento de rejeitos;

  6 – Os custos relacionados ao transporte e armazenamento, tanto do carvão da mina quanto dos resíduos é eliminado;

  7 – Outra vantagem da UCG esta relacionada com o seu potencial de combinação com a captura e seqüestro de carbono (Carbon capture and sequestration – CCS). O próprio depósito geológico tem capacidade de aprisionar estes gases.

  Na Figura 2 temos a representação da UCG onde os gases do processo são utilizados para produção de hidrogênio, observa-se também que após o tratamento dos gases do processo o CO2 é reinjetado na jazida para seqüestro (CCS).

Figura 2 – Diagrama de uma unidade UCG para produção de hidrogênio e reinjeção de CO2 para seqüestro nas camadas subterrânea de carvão (CCS). Fonte:Lawrence Livermore National Laboratory – USA.

Apesar das inúmeras vantagens a UCG apresenta algumas limitações:

  1 – O aumento das reservas de carvão devido a UCG podem ser menores que se pensa, pois para que se inicie uma UCG é necessário um estudo aprofundado das características geológicas, geoquímicas, proximidade de aquíferos no local a ser explorado. Assim estas informações podem detectar problemas ambientais antes não avaliados que impedirão a UCG neste local;

  2 – UCG é um processo instável e sua operação não pode ser completamente controlada como acontece nas plantas de gaseificação convencionais na superfície;

  3 – As variáveis de processo variam conforme a UCG vai ocorrendo, neste caso, elas podem ser apenas estimadas;

  4 – Taxa de fluxo e composição dos gases produzidos varia a todo o tempo.

  Antes da utilização da UCG é necessário um mapeamento geológico, geoquímico e hidrogeológico completo de toda a região a ser utilizada, tanto acima quanto abaixo da jazida. Após essa análise e coleta de dados experimentais faz-se necessário o desenvolvimento de modelos cinéticos e fluidodinâmicos que tentem prever o que ocorrerá na camada de carvão durante a gaseificação, dando assim todo o suporte para que a operação ocorra com sucesso, segurança e com o mínimo de impacto ambiental.

  As vazões e pressões de ar comprimido, de vapor e de oxigênio na UCG são obtidas a partir das características do carvão, do solo e da água do subsolo. Estes fluidos permitem o controle parcial das condições de combustão do carvão no subsolo e influenciam também na qualidade do gás obtido.

  O poder calorífico e a composição do gás produzido variam de acordo com as vazões e relações de oxigênio, vapor e ar comprimido injetados na UCG. A pressão de saída é função de mecanismos os quais ainda não estão bem definidos.

  Apesar de serem poucos os impactos ambientais, ocorrem problemas no processo. Dentre os principais, podem-se citar o colapso do teto da cavidade formada no subsolo e o risco de poluir os lençóis aquáticos subterrâneos. Estudos geológicos e de resistência do solo, têm procurado resolver o problema do colapso do teto da cavidade. A poluição dos lençóis aquáticos poderá ser causada pela introdução de contaminantes orgânicos e inorgânicos resultantes do processo de gaseificação da camada de carvão.

  O processo de gaseificação subterrânea de carvão sofreu, nos últimos 10 anos, uma grande evolução, passando de incompreendido a um dos líderes dentre os processos relacionados com combustíveis fósseis, abordados pelo programa norte-americano dos "synfuels". Segundo dados do LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory - USA) a gaseificação in situ poderia aumentar a reservas exploráveis de carvão nos EUA em três vezes. Deste modo, acredita-se na UCG como uma futura técnica para geração de energia e fonte de matéria prima para produtos químicos e combustíveis.

  Hoje já existem programas governamentais em alguns países - Canadá, Estados Unidos, Croácia, Rússia e Austrália - para investigação, desenvolvimento e demonstração para aplicação comercial da tecnologia UCG, incluindo as facilidades de transporte do combustível gasoso.

  No Brasil nenhum estudo foi realização com a intenção para avaliar a viabilidade técnica da UCG e da CCS nas reservas nacionais. Talvez as jazidas mais profundas dos estados de Santa Catarina e Rio Grande do sul tenham boas possibilidades, porém apenas estudos científicos podem garantir esta probabilidade.

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