Elaborado por:

Marcelo J. Moreira da Silva RA: 971163

Paulo André Ruggero RA: 971375

Com a primeira crise do petróleo veio a tona uma tecnologia antiga, que é a gaseificação de biomassa. Houve muitas iniciativas a nível de pesquisas para a gaseificação como opção energética. Com a transformação do carvão em gás, ficou mais fácil o seu transporte. O gás é uma energia mais limpa e foi usado também como iluminação. Os motores que usam gás, têm uma vida maior do que as dos que usam combustível líquido. O custo benefício de um gaseificador em relação ao combustível líquido, é competitivo.

A conversão da biomassa ou de qualquer combustível sólido em gás é obtida em reatores. Os gases produzidos têm muitas aplicações tais como em motores de combustão interna.

As razões que decidem pela utilização da gaseificação são condições locais. Ex: Numa fazenda onde haja muito excremento de gado, poderá ser instalado um biodigestor e com o gás produzido aciona-se um motor de combustão interna conectado a um gerador (dínamo) para produção de energia elétrica.

Existem algumas desvatagens da geseificação. É uma tecnologia mais complicada que a queima direta. Tem que se ter muito cuidado com o vazamento dos gases que são tóxicos. Uma instalação de gasieficação é constituida por:

-Processamento: estoque, transporte da biomassa e redução da mesma ao tratamento necessário;

-Gaseificador, dotado de um alimentador próprio para não haver vazamento de gases;

-Tratamento dos gases: resfriamento e limpaza dos gases;

-Sistema de controle tais como pressão e temperatura;

-Tratamento dos resíduos, considerando o potencial tóxico dos mesmos.

A forma mais antiga conhecida produziu gás a partir de materiais orgânicos (destilação seca) aquecimento do combustível isenta de oxigênio. O gás foi usado para iluminar londres em 1812.

Outro método de gaseificação foi projetado por Bishoff em 1839 depois modificado por Siemens em 1857, foi utilizado por 100 anos. Um dos problemas era a produção do alcatrão, para contornar foi introduzido na zona de reação produtos que promoviam o craqueamento do alcatrão.

Por volta no início da 1^a Guerra Mundial gaseifica-se carvão e turfa devido a grande quantidade destes produtos e a qualidade requerida dos mesmos.

Onde não havia tais produtos, as instalações foram adaptadas para a gaseificação da biomassa.

Durante a 2^a Guerra Mundial devido a dificuldade de obter-se combustíveis derivados do petróleo popularizou-se os pequenos gaseificadores móveis chamados de gosogênios. No mundo chegaram a ser usador aproximadamente em 1 milhão de veículos estes gasogênios no final da 2^a Guerra Mundial. No Brasil cerca de 20 mil veículos usaram os gasogênios. Estes veículos utilizavam pedaços de madeira, turfa e antracito como combustível. Com a volta do suprimento barato de petróleo esta tecnologia foi abandonada.

Com a crise do petróleo entre 1970 e 1980 o interesse foi renovado pelo uso da gaseificação.

A gaseificação é um processo complexo, durante o qual o combustível passa pelas seguintes etapas (Hos e Groeneveld,1987):

-Oxidação parcial da biomassa por um agente gaseificador, normalmente oxigênio ou ar;

-Aquecimento da biomassa e evaporação da umidade;

-Pirólise através do aumento da temperatura, 150^o a 500^oC, neste processo resulta da transformação do alcatrão e produtos gasosos;

-Redução dos componentes gasosos produzidos durante as etapas anteriores por fortes reações entotérmicas.

Para modelar um gaseificador pode-se prever a composição do gás produzido através das equações termoquímicas que prevêem o estado de equilibrio das reações básicas envolvidas na gaseificação pelos parâmetros pressão, temperatura, umidade do combustível e o teor de oxigênio no agente gaseificador.

Na gaseificação os componentes da reação química, combustível e agente oxidante devem ser levados nas zonas de reação nas taxas adequadas.

As reações exotérmicas desprendem calor enquanto que as endotérmicas absorvem calor.

Além da variação da reação a qual dá idéia da quantidade de energia mobilizada é importante o conceito da velocidade de reação.

Há uma dependência da constante de equilíbrio com relação a pressão com atribuição a variação volumétrica dos gases com a variação da pressão.

Conforme (Bukens e Schoeters,1985) os gaseificadores são divididos em tres categorias básicas.

1. Modelo de equilíbrio, a composição do gás é calculada com uma temperatura de reação constante utilizando-se reações de equilíbrio homogêneo ou heterogênio;
2. Modelos não cinéticos, o reator é subdividido em diferentes zonas: secagem, pirólise, oxidação e redução;
3. Modelo de regime permanente, o reator é dividido em elementos diferenciais no comprimento (fatias), a seguir um modelo não cinético para a zona de redução será eleborado para ilustrar os mecanismos preferentes nas reações de gaseificação.

Na gaseificação de biomassa, o carvão vegetal gerado na zona de pirólise é que é efetivamente gaseificado na zona de reação. Nos reatores concorrentes deve-se considerar, além das reações oxidantes do carbono com oxigênio, vapor de água, monóxido de carbono e hidrogênio aquelas correspondentes à decomposição dos pirolenhosos a alta temperatura. Nos sistemas em contracorrente, os gases gerados na zona de reação se somam aos produtos da pirólise, devido a zona de pirólise encontrar-se após as zonas de oxidação e redução com relação ao fluxo de gases (Assumpção 1981).

Na gaseificação as reações exotérmicas fornecem energia para as reações endotérmicas na forma de calor.

A previsão da composição de equilíbrio dos gases deixando a zona de redução de um gaseificador, para uma dada condição de temperatura e pressão, pode ser realizada através da utilização das constantes de equilíbrio das principais reações que ocorrem e de equações de balanço material e energético.

Cousins(1978) elaborou um modelo simplificado, no qual foi assumido que as reações fundamentais na zona de redução são a redução de Boudouard. Este modelo pressupõe algumas hipóteses simplificadoras, como:

-o combustível é formado apenas de C, H, O e N;

-o enxofre e as suas reações são despresíveis;

-todo nitrogênio entrando na zona de redução, sai na forma de N₂;

-a reação de formação de amônia (NH₃) é despresada;

-todo carbono e hidrogênio preferentes passam a CO₂ e H₂O na zona de oxidação.

O modelo originalmente utilizado para carvão mineral, pode ser utilizado para a gaseificação de biomassa, desde que se asssuma como combustível o carvão vegetal produzido na zona de pirólise e aos gases se adicione os gases e outros produtos provenientes, também na zona de pirólise, no caso de gaseificador contracorrente.

( Cousins 1978) utilizou este modelo para uma análise comparativa de gaseificação contracorrente e concorrente e chegou às seguintes vantagens para o modelo contracorrente:

-o consumo de oxigênio é menor para ar e oxigênio puro;

-há pré-secagem automática do combustível, permitindo utilizar-se de combustíveis com maior teor de umidade;

-os gases produzidos com ar como elemento gaseificador produzem temperatura de chama mais elevadas.

Vantagens do sistema concorrente:

-menor quantidade de efluentes líquidos após a limpeza dos gases, reduzindo a poluição;

-eficiência de gaseificação superior, com relação ao combustível seco;

-quando se deseja produzir gás para sinteses químicas, a produção de gás com oxigênio é mais conveniente uma vez que a relação H₂:CO em volume é maior.

-Temperatura;

-Pressão de operação do reator;

-Umidade relativa do agente oxidante;

-Introdução de vapor de áqua;

-Teor de oxigênio no agente de gaseificação;

-Tipo de combustível.

Em todo o mundo, a produção de energia a partir da biomassa é restrita. Ao longo dos anos, os sistemas elétricos os sistemas elétricos tornaram-se cada vez mais centralizados, especialmente no que se diz respeito à geração. Grandes centrais de produção de produção de eletricidade justificavam por:

a) O caráter determinante, sobre os custos de geração, do fator de escala.

b) A inexistência de restrições maiores com relação aos impactos ambientais

c) Em função, também do próprio modelo de organização empresarial que imperou no setor durante anos.

Entretanto, a partir do final da segunda metade dos anos 70, o setor elétrico entrou em uma nova fase em vários países. A elevação dos custos de geração segundo tecnologias convencionais e o processo recessivo nos países industrializados, causados pelo segundo choque na crise do petróleo, aceleraram as reformas institucionais do setor.

Essas reformas, eminentemente de caráter descentralizador, levaram à definição de um maior espaço para a cogeração, à produção elétrica em pequena escala, ao uso mais intensivo de fontes energéticas renováveis e à produção independente.

As principais características desse novo padrão de expansão do setor elétrico estão nas pressões sociais para com a minimização dos impactos ambientais, na necessidade de uso mais racional dos insumos energéticos e no crescente questionamento do papel exercido pelos Estados no aprovisionamento da infra estrutura.

Dentro do contexto de reformas, a iniciativa mais marcante foi a criação do Public Utility Regulatory Policy Act – PURPA, em 1978, nos EUA. O PURPA que vigorou até 1983 na forma como foi realmente concebido, criou o espaço institucional para a expansão da cogeração e para o crescimento de geração elétrica a partir de fontes energéticas renováveis. Com o mesmo espírito e, inclusive, usando a experiência norte-americana como principal referência, vários outros programas do gênero foram definidos em países europeus e no Japão em anos subsequentes .

Mais recentemente a produção de energia elétrica a partir da biomassa tem sido defendida como uma importante opção para os países em desenvolvimento e mesmo para os países europeus. A questão ambiental, com a necessidade de minimização das emissões globais de CO2 , é o ponto comum de ambas propostas. No caso dos países em desenvolvimento, a crise econômico-financeira do setor elétrico e a necessidade de empréstimos internacionais par viabilizar a construção de novas obras, sào colocadas como razões particulares. Para o caso europeu, a particularidade é destacada pela dependência de alguns países quanto ao abastecimento de fontes energéticas fósseis.

Dentre as opcões que exostem para aumentar a oferta de energia elétrica a curto prazo, encontram-se duas que certamente podem causar impacto ambiental maior ou menor dependendo dos cuidados que forem tomados. Porém, sempre haverá algum risco pra a ecologia. A termoelétrica movida a combustível fóssil ( carvão, gás natural ou derivados de petróleo ) e a energia nuclear.

A crescente preocupação da sociedade com questões ambientais deve influir as decisões dos dirigentes quanto as possibilidades de utilização das fontes energéticas. Dentro deste aspecto, os combustíveis fósseis são os mais criticados, devido à produção de uma quantidade de CO2 que o planeta não tem condições de assimilar a longo prazo, causando o chamado efeito estufa, e também pela possibilidade de emissão de oxidos de enxofre. A energia nuclear também tem se mostrado insegura nos níveis de tecnologia existente nas usinas, pois os acidentes com vazamentos de material radioativo vêm acontecendo periodicamente, além de outros problemas com a operação e a disposição do chamado lixo atômico.

Nesse contexto, as fontes de energias não poluentes e renováveis são as que melhor atendem as necessidades sociais. Ao se utilizar a queima de um combustível fóssil, inevitavelmente produzem-se gases com grande concentração de CO2 e com presenças de SOx . Esses podem ser removidos dos gases, mas tal processo requer certo custo e eficiência.

A utilização da biomassa para geração de energia também irá gerar CO2. Mas, esta biomassa é oriunda de plantas que consumiram, durante seu crescimento, exatamente a mesma quantidade desse gás que será devolvida à atmosfera após seu uso final. Como esta opção só se faz sentido se considerar uma área cultivada onde estão crescendo continuamente plantas que virão a produzir a energia de que a sociedade necessita, o balanço de CO2 é continuamente nulo, não afetando o efeito estufa.

Por outro lado, deve-se considerar que todo petróleo e o carvão disponível será certamente um dia utilizado. Suas aplicações podem produzir energia ou produzir materiais plásticos. Estes podem ser reciclados, o que não acarretaria grande impacto ambiental. Mas a queima para a transformação de energia inevitavelmente transforma o carbono em CO2 . Este carbono proveniente dos combustíveis fósseis também já foi biomassa soterrada há milhões de anos atrás. Se em poucas décadas for devolvido todo carbono à atmosfera, provavelmente acarretará um desequilíbrio causador de males citados.

Como alternativa limpa e renovável de energia aparece a gaseificação da biomassa, com grande possibilidade de aplicação em países com grandes áreas cultiváveis, em climas tropicais, onde a taixas de crescimento dos vegetais é alta. Há sem dúvida outras fontes energéticas limpas e renováveis que igualmente devem ser desenvolvidas, como a eólica e a solar.

Futuramente, todas essas formas alternativas de energia deverão conviver em parceria, pois a sociedade não deverá desprezar qualquer forma de geração de energia que seja renovável e não poluente.

A capacidade de produção elétrica a partir da biomassa que estava instalada nos EUA no início dos anos 90 foi avaliada por Williams & Larso (1992) em 8,4 GW. Grande parte desse paeque foi viabilizado em poucos anos em função das medidas de incentivo definidas pelo PURPA. A título de comparação deve-se notar, por exemplo, que a potência instalada em 1979 era de apenas 200 Mwe, Da potência total, quase 6 GW corespondiam a 367mplantas de cogeração e pouco menos que 2,5 GW a 149 produtores independentes.

Esses sistemas eram fundamentalmente instalações a vapor, com porte entre 5 a 50 Mwe. As eficiências termodinâmicas eram relativamente baixas – entre 18 e 26 %. Os custos de investimentos foram avaliados entre 1300 e 1500 U$$/KW e o custo da eletricidade gerada foi calculado entre 65 e 80 U$$/MWh. Quase 90% da capacidade era suprida com queima de madeira, restando 8% para sistemas que operavam com gás de aterro, 3% para rejeitos agrícolas diversos e apenas 1% para gás de biodigestão.

A Finlândia é um outro caso digno de destaque quanto ao emprego da biomassa na produção de eletricidade. É importante notar que, em termos relativos, o caso finlandês é mais relevante do que o norte americano, dendo o mais importante em todo mundo. Dois fatores devem ser considerados: a importância da biomassa na matriz energética e na própria economia; e a tradição existente em produção descentralizada, especialmente em cogeração.

Cerca de 30% de toda eletricidade gerada na Finlândia é produzida em sistemas de cogeração. A importância dos sistemas de produção é tão grande que a eficiência do uso de energia em Helsinki, por exemplo, é avaliada em 70%, mesmo considerado o consumo em sistemas de transportes. A biomassa, por sua vez, atende pouco menos de 20% do consumo global de energia no país, com participação especial no setor industrial e principalmente no segmento de papel e celulose.

A Finlândia desenvolveu tecnologia própria para a conversão eficiente da madeira, dos resíduos da produção de celulose e da turfa. Os sistemas industriais são, em geral, sistemas de cogeração a vapor com geradores adequados à queima de vários combustíveis, com a capacidade na faixa de 20 a 150 Mwe.

Na Suécia e Dinamarca, o papel da biomassa na matriz energética destaca-se como combustíveis industriais. No caso sueco sabe-se que os resíduos florestais e os resíduos industriais de biomassa já contribuem de forma significativa para com a produção de eletricidade, basicamente em unidades de cogeração em fábricas de celulose e papel. A longo prazo, a biomassa pode contribuir com 25 a 40% da produção elétrica.

O governo das Filipinas optou, nos anos 80, por um programa de pequenas usinas termoelétricas – UTEs – à lenha, de forma a minimizar os problemas de abastecimento e reduzir os custos da eletrificação rural. O programa definiu como meta a construção de 3 Mwe integradas a módulos de 3300 ha de área plantada com florestas energéticas homogêneas. No in;icio dos anos 90, aproximadamente um terço do programa já estava viabilizado.

Em função do sucesso da experiência filipina, o governo da Tailândia propôs há poucos anos um programa similar para a construção de 2 Gwe de capacidade de produção elétrica a partir da lenha. De acordo com o programa, deverão ser construídas 86 plantas a vapor, com 3,2 , 10 ou 100 Mwe de capacidade, integradas a módulos de florestas homogêneas. É interessante notar que a TailÂndia tem uma certa tradição no uso da biomassa para a produção de eletricidade já que as fábricas de extração de óleos vegetais, de beneficiamento de arroz e as usinas de açúcar geram 15% da potência elétrica, ou 1 GW, consumida no país.

Cabe notar que nas indústrias de celulose em todo mundo, principalmente nas que fazem extração da matéria pelo processo sulfato, existe já uma tradição na produção de eletricidade em sistemas de cogeração. O combustível utilizado é a lixívia negra, efluente do processo de digestão da madeira, que precisa ser necessariamente queimado para permitir a recuperação das soluções inorgânicas que viabilizam a obtenção da celulose.

O segmento sucro-alcooleiro também tem larga tradição na produção elétrica em sistemas de cogeração a partir do bagaço de cana. Embora tal tecnologia seja usual em todos os países produtores, as principais referências, dada a importância relativa desses sistemas em relação ao sistema elétrico do país, são Havaí e as Ilhas Maurício e Reunião. Em alguns outros países a cogeração a partir do bagaço também contribui de forma significativa para com o abastecimento global ou regional, como, por exemplo, Cuba.

Outra forma de produção de eletricidade a partir da biomassa está associada à incineração do lixo urbano com aproveitamento do calor na alimentação de um ciclo de potência a vapor. Existem instalações com tal princípio em alguns países europeus, tais como Holanda, Alemanha e França, no Japão e, em menor escala, na América do Norte. Estritamente do ponto de vista econômico a produção de eletricidade não é justificada em função do baixo poder calorífico do lixo e do alto teor de umidade. A lógica desta opção está na eliminação dos resíduos urbanos dado que as demais alternativas de controle são inviáveis do ponto de vista ambiental e / ou demográfico. Assim, a eletricidade torna-se um sub-produto do sistema de depuração do lixo.

CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DA BIOMASSA

A partir da crise do petróleo de 1973, passou-se a prestar maior atenção a importância da biomassa como fonte energética e no mundo todo, programas nacionais começaram a ser desenvolvidos visando o incremento da eficiência de sistemas para a combustão, gaseificação e pirólise da biomassa. Segundo dados levantados pelo pesquisador D. O. Hall, atualmente a biomassa representa cerca de 14% da energia consumida no mundo, constituindo para os países em desenvolvimento a maior fonte energética, equivalente a cerca de 35 %. Segundo o mesmo autor, os programas nacionais considerados mais bem sucedidos são:

O PROÁLCOOL no Brasil;

Aproveitamento do Biogás na China Continental;

Coque vegetal no Brasil;

Aproveitamento de madeira para fins energéticos na Suécia;

Aproveitamento de resíduos agrícolas na Grã – Bretanha;

Plantações de eucaliptos na Etiópia; e

Aproveitamento do bagaço de cana nas Ilhas Maurício.

Segundo o Boletim do Balanço Energético Nacional ( 1993 ), no Brasil a biomassa representa 15,6% do consumo de energia no país, o que equivale a 27 milhões de toneladas de petróleo. Desta fração, a lenha, que já representou 26% do consumo total de energia do país em 1977, representa 13,8%, enquanto que os produtos da cana-de-açúcar, que representavam apenas 5,5 % em 1977, hoje representam 10% do consumo total de energia.

Combustíveis gerados a partir da biomassa podem ser classificados, como qualquer outro combustível, em combustíveis sólidos, líquidos e gasosos. Como os combustíveis sólidos são produzidos por atividades primárias, eles são classificados por origem. Os combustíveis líquidos e gasosos, sendo resultado de processos de transformação da biomassa, são classificados pelos processos que lhes deram origem.

Classificação de combustíveis gerados a partir de biomassa

- Produtos primários – madeira e outros

- Combustíveis Sólidos - materiais ligno-celulósicos

- Sub-Produtos - Agricultura

- Silvicultura

- Atividades Urbanas

- Fermentação ( etanol, metanol,etc.)

Combustíveis Líquidos - Pirólise

- Liquefação

- Processo Biológico (digestão anaeróbia-biogás)

Combustíveis Gasosos - Gaseificação

Serão abordados nesse texto fundamentalmente os processos relacionados com a conversão termoquímica da biomassa, ou seja, queima direta e gaseificação. Nestes processos, utiliazam-se combustíveis sólidos gerando calor e/ou combustíveis gasosos.

Como mostra a figura abaixo, combustíveis da biomassa podem ser processados através de diferentes processos; Combustão ( ou queima direta ), Gaseificação, Pirólise, Liquefação, Fermentação e Digestão Anaeróbia.

Resumidamente, esses processos são:

Combustão ou queima direta: Transformação da energia química do combustível em calor por meio das reações dos elementos constituintes dos combustíveis com oxigênio ( o ar ou o oxigênio são fornecidos além da quantidade estequiométrica ).

Gaseificação: Aquecimento da biomassa em presença de oxidante ( ar ou O2 ) em quantidades menores do que a estequiométrica, obtendo-se um gás combustível composto de CO, H2 ,CH4 e outros. Deste gás, utilizando-se catalizadores, pode-se obter adicionalmente metano, metanol, hidrogênio e amônia.

Pirólise: Aquecimento da biomassa em ausência de oxidante ( oxigênio ). Obtém-se como resultado um gás combustível, produtos líquidos ( alcatrão e ácido piro-lenhoso ) e uma substância carbonosa que pode ser convertido em carvão ativado. É o processo usado na fabricação do carvão vegetal.

Liquefação: Processo de produção de combustíveis líquidos por meio da reação da biomassa triturada em um meio líquido com monóxido de carbono em presença de um catalizador alcalino. (P=150-250 atm, T=300-350 oC , t=10-30 min ; obtém-se um líquido viscoso que pode ser utilizado como combustível em fornos).

Fermentação: Conversão anaeróbia de compostos orgânicos pela ação de microorganismos, em grande parte dos casos, da levedura Saccharonyos cereviscae. No caso da fermentação alcoólica o substrato orgânico é a sacarose e os produtos são fundamentalmente o etanol e o gás carbônico.

Digestão Anaeróbia-biogás : Conversão anaeróbia de compostos orgânicos pela ação de microorganismos. Para a produção de biogás ( metano e gás carbônico ) serve-se de microorganismos acidogênicos e etanogênicos.

O Brasil é um grande produtor de produtos agrícolas, os quais geram uma grande quantidade de resíduos. Estes resíduos podem, e muitas vezes são, utilizados como fonte energética. Deve-se levar em conta que em virtude de não existirem tecnologias desenvolvidas para o aproveitamento de certas culturas, grandes potenciais são deixados de lado. Por outro lado, alguns resíduos encontram outras aplicações como por exemplo ração animal , este é o caso dos resíduos da mandioca e do milho.

Outra maneira de demonstrar o potencial do uso de resíduos de biomassa para fins energéticos é estimar-se a quantidade de terra necessária para ser cultivada para prover toda necessidade energética de um país. No Brasil, algumas indústrias importantes utilizam biomassa para fins energéticos, estas são:

Usinas de açúcar e destilarias de álcool: que queimam o bagaço gerado no processamento da cana para a produção de vapor e eletricidade, inclusive gerando excedentes que algumas vezes são vendidos;

Cerâmicas e Olaria: utilizam lenha ( eucalipto, e outros ) para a secagem e cozimento dos produtos;

Fundições e siderúrgicas: utilizam-se de coque de carvão vegetal produzido pela pirólise da lenha;

Fábricas de papel e celulose: complementam os seus requerimentos energéticos com resíduos de processo;

Fábricas de suco concentrado de laranja: compram bagaço de cana-de-açúcar para a produção de vapor;

Fábricas que geram vapor de processo ( têxtil, indústrias de alimentos ) e Instituições de Serviços (hospitais): poderiam utilizar biomassa para a produção de vapor;

Padarias, restaurantes ( pizzarias ): utilizam-se de lenhas para cocção;

No uso doméstico: a biomassa constitui-se principalmente de lenha, coletada ou comercial e utilizada fundamentalmente para cocção, com uma pequena fração utilizada para aquecimento;

Transporte: alguma biomassa na forma de lenha pode ser utilizada em veículos a vapor tais como locomotivas e barcaças para navegação fluvial ou em gasogênios para motores de combustão interna.

Pode-se classificar os resíduos da biomassa segundo a sua origem :

Resíduos Sólidos Urbanos; Resíduos Animais; Resíduos Vegetais; Resíduos Industriais; Resíduos Florestais;

Resíduos Sólidos Urbanos

Os resíduos sólidos urbanos podem ser utilizados como combustível por queima direta após a separação dos componentes metálicos e trituração da matéria orgânica. Esta aplicação já é comumente utilizada em países desenvolvidos.

Considera-se também o aproveitamento dos resíduos urbanos através da pirólise e do tratamento biológico. A composição do resíduo urbano varia de acordo com o poder aquisitivo, a cultura e o tamanho de cada comunidade. Considera-se como tamanho mínimo para viabilizar economicamente o aproveitamento energético do resíduo, uma população de 300 mil habitantes. Pode-se observar que entre matéria orgânica, papel e papelão, trapo, couro e borracha, plásticos e madeira, o lixo constitui-se em mais de 705 de materiais com potencial uso energético, após devidamente tratados.

Resíduos Animais

O método mais efetivo para a utilização dos resíduos animais, bem como dos resíduos humanos, é a digestão anaeróbia. Isto se deve principalmente ao alto teor de umidade que varia em média de 60 a 85 %.

Como regra geral pode-se considerar que o rendimento da digestão anaeróbia varia de 0,26 a 0,30 m3 de metano por Kg de substância orgânica.

Resíduos Vegetais

Os resíduos vegetais, ou agrícolas, são compostos fundamentalmente de celulose e podem ser preparados de forma relativamente fácil para a obtenção de energia devido a pouca umidade e a facilidade de serem pré-processados. Devido a essa facilidade em serem preparados, os resíduos vegetais prestam-se a outros usos, os quais competem com o uso energético. Alguns desses usos são: matéria-prima para obtenção de papel; fertilizante (melhora características físicas do solo e a capacidade de retenção de umidade); aglomerados para compensados; complemento para a ração de animais;

Para aplicações energéticas, onde se requer a disponibilidade contínua da biomassa é preciso levar-se em conta que os resíduos vegetais se caracterizam por sua disponibilidade sazonal e precisariam de armazenamento por longos períodos. Isso pode torná-los onerosos e alterar suas características devido a processos de fermentação que normalmente ocorrem devido a estocagem.

Apresentaremos alguns tópicos sobre os reatores de leito fluidizado, este tipo de reator reúne características intermediárias dos reatores de fluxo concorrente, contracorrente e fluxo transversal. As características de reator de leito fluidizados podem ser consideradas como combinações das características dos outros tipos, minimizando as desvantagens , aumentando assim sua eficiência.

Dados encontrados na literatura sobre gaseificadores de biomassa de leito fluidizado

A maioria das informações existentes são sobre a madeira. Em 1986 o IPT concluiu que havia dificuldades em alimentar o bagaço de cana em natura devido à sinterização das cinzas em temperaturas acima de 700ºC, bem como a existência de seções isotérmicas no leito. A relação entre ar/combustível é um parâmetro importante a ser considerado, no caso de coco e dendê a maior eficiência se deu a 80% comparado à casca de casca de arroz a 40%.

Outro parâmetro determinante é a temperatura do leito, bem como a alimentação uniforme para manter constante a composição do gás e a temperatura do leito. O aumento da temperatura traz a queda nos teores de alcatrão.

Os principais grupos de pesquisas sobre gaseificação são:

- Energy Research Group, Chemical Eng. And applied Chemistry;

- Department of Chemical Eng. and Industrial Chemistry. Free University of Brussels, Bélgica. Coordenado por K. Maniatis;

- Departamento de Térmica e Fluidos. Faculdade de Engenharia Mecânica, UNICAMP, Campinas, Brasil. Coordenado por C. G. Sanchez;

- Biological and Agricultural Engineering Dept. University of California, Davis, EUA. Coordenado por B. M. Jenkins.

0 Prof. Sanchez na UNICAMP está trabalhando com um reator de leito fluidizado constituído por um tubo cilíndrico de 250 mm de diâmetro externo, de aço inox 314, revestido internamente com concreto refratário de 25 mm de espessura, resultado em um reator com 200 mm de diâmetro interno. A altura total do reator ‚ de 2000 mm, sendo a altura do refratário de 700 mm. Externamente o reator ‚ isolado com 1ã minera1 FIBERFRAX B6 de densidade 96 kg/m', espessura de 50 mm na região do leito (600 mm de altura) e 25 mm na região do freeboard imediatamente acima do leito (entre 600 a 1200 mm, a contar da p1aca distribuidora de ar). A figura abaixo mostram uma fotografia do reator de leito fluidizado instalada no DETF-FEM-UNICAMP.

0 ar de alimentação‚ fornecido por um compressor, com a vazão monitorada por uma placa de orifício calibrada. 0 ar é injetado na parte de baixo do reator por uma placa de orifícios com cerca de 2000 furos de 1,5 mm (plenum). 0 combustível ‚ introduzido no reator por uma rosca sem-fim, refrigerada a água e instalada 50 mm acima da placa distribuidora. É possível modificar a alimentação do combustível através de um motor variador. 0 alimentador representa e1emento mais prob1emático do experimento de vários pesquisadores.

0 gás ao sair do topo do reator passa por um ciclone (será falado no final do trabalho) que permite coletar particu1ados, passando em seguida por uma placa de orifício para a medida da vazão, e descarregado na atmosfera por uma chaminé. 0 material inerte do 1eito é formado por oxido de alumina branco (alumina). 0 leito estacionário variou de 28 cm a 57 cm.

A amostragem do gás é feita logo na saída do ciclone. A amostra do gás é succionada da tubulação de exaustão de gás do reator por um tubo, passando por um filtro e por um separador de água, por um analisador continuo de monóxido de carbono (fim de escala 9,99 %) passando por um by-pass para a atmosfera.

Gaseificando-se cascas de arroz, pode-se observar, que a maior eficiência à frio foi obtida para uma relação ar combustível (AC) na faixa de 1,43 a 2,8, chegando a mais de 35% de eficiência Para uma AC de 2,04 obteve-se uma eficiência máxima de 53,9%. Notou-se também a dependência entre os parâmetros AC e temperatura do reator, como se esperava pois com o aumento do combustíve1 em relação ao ar pode-se esperar um aumento nas taxas de reação tornando as temperaturas mais elevadas. Portanto, teoricamente a maior temperatura deve ser resultado de uma AC estequiométrica (AC = 1,0), quando não ocorrer a formação de nenhum outro tipo de gás combustive1. O efeito ocorre ao contrário para a relação AC, pois com uma relação baixa não haverá oxigênio suficiente para manter a reação em seu ponto ótimo trazendo por conseqüência queda da temperatura e o fim da reação. Para um AC muito a1to a energia necessária para o aquecimento do excesso de ar poderá causar uma queda na temperatura da reação, logo após o inicio da reação, devido à absorção do calor pelo ar ser queimada devido ao excesso de ar causando até mesmo a extinção da reação.

Para a serragem, temos o um máximo na eficiência a frio na faixa de 32 a 39,5% para uma relação AC de 3,7. Já a temperatura do 1eito tem variação de 670 ºC (AC= 5,88) até 900ºC (AC= 2,63). Quanto maior a re1ação AC, maior ‚ a disponibilidade de ar para as reações no interior do leito, mas causando uma redução no poder calorifico do gás produzido, devido a que as reações serem incompletas.

Conclui-se destes dados que o fator de ar, ou relação AC é o fator fundamenta1 para o desempenho do reator. 0 AC ótimo depende do tipo de biomassa, sendo próximo 1,89 para casca de arroz e de 4,00 para a serragem. Devido aos problemas com o sistema de alimentação de combustível houve flutuação na qualidade do gás, confirmando o que outros pesquisadores já haviam observado em seus experimentos.

A utilização de biomassa fibrosa, por exemplo bagaço de cana, apresentou sérios problemas na alimentação, exigindo um novo desenho de rosca do alimentador. Com base na experiência adquirida neste reator, o grupo de trabalho da UNICAMP pretende desenhar um reator maior, diâmetro de 300 mm com capacidade de 100 a 120 KW. Com isto será possive1 aprimorar o sistema de a1imentaq5o de combustive1, a filtragem dos gases e e1aborar uma sistemática mais adequada de partida do reator.

A Tabela abaixo apresenta um resumo dos resu1tados obtidos com a gaseificação de casca de arroz e serragem para as condições de máxima eficiência.

As diferenças encontradas na literatura com relação ao reator experimenta1 da UNICAMP, pode ser atribuída a uma maior perda de calor.

Podemos agora comprovar que a composição do gás, ou seja o Poder Calorifico, produzido é uma função direta da temperatura de reação, a qual depende da relação ar combustível.

0 grupo de traba1ho da Universidade da Califórnia em Davas tem se dedicado a questão da sintetização de certas biomassas quando traba1hando com temperaturas próximas ao ponto de amolecimento das cinzas. A maneira de procurar controlar este problema tem sido a mistura de dois ou mais combustíveis de maneira a se associar qualidades diferentes. 0 reator utilizado para este fim é modular e possui diâmetro interno de 178 mm. 0 reator possui uma parede de cimento refrataria de 38 mm de espessura. No topo do reator uma zona de transição conduz a uma zona de desengazamento de 432 mm de diâmetro interno. 0 comprimento tota1 do reator é de 4,6 metros. 0 objetivo da zona de expansão e da zona de desengazamento é reduzir a velocidade dos gases de maneira a que as partículas ainda não totalmente consumidas retornem para a zona de reação e completem a reação. Na parte inferior do reator um plenum permite a entrada de ar que passa então por uma placa distribuidora constituída de uma placa de aço inoxidáve1 de mesh 60 (60 furos por polegada quadrada) prensada entra duas f1anges. 0 sistema de a1imentação é formado por uma rosca sem-fim dosadora que leva o combustível para uma rosca sem-fim alimentadora, que alimenta o combustive1 a uma altura de 114 mm acima da placa distribuidora.

Todos os testes rea1izados com palha de arroz resultaram em aglomeração do leito devido a perda de pressão causada pela formação de canais no leito a medida que o processo de sinterização procedia. Na tentativa de manter a temperatura abaixo dos 900ºC a relação AC foi aumentada causando um resfriamento excessivo do leito e extinguindo a reação.

Varias tentativas foram rea1izadas procurando-se superar estes problemas, entre os quais se destaca a redução do tamanho das partículas da palha de arroz e início da reação com outro combustível, no caso resíduos sólidos urbanos (RSU) (principalmente madeira), e depois de estabilizar o reator substituir este combustive1 pela palha de arroz. Nenhuma destas soluções apresentou melhor as significativas no desempenho do reator com a pa1ha de arroz como combustível.

Em seguida experimentos com misturas de palha de arroz e RSU foram realizados. No primeiro teste uma mistura de 75% de palha e 25% de RSU apresentou um desempenho melhor do reator apesar de eventualmente resultar em aglomeração do leito. Porém, o reator manteve-se estável por um período maior do que quando foi utilizada apenas a palha de arroz como combustível. Com apenas 10 % de palha de arroz o reator teve desempenho excelente comportando-se praticamente como se utilizasse apenas madeira.

Todos os sistemas de gaseificação descritos aqui até agora operam a pressões próximas a atmosférica. Para grandes instalações onde se pretende gerar tanto eletricidade como ca1or estão em processo de desenvolvimento instalações de gaseificação de biomassa a alta pressão. Como exemplo destes trabalhos pode-se citar a unidade sendo construída pe1a Ahlstrom Corp. da Finlândia para a Sydkraft Ab, de Vänamo na Suécia. 0 combustive1 será gaseificado a 20 bar em um reator recirculante de leito fluidizado, e o produto será limpo para ser uti1izado em uma turbina a gás. Sendo a primeira unidade deste tipo no mundo ela terá uma capacidade de gerar 6 MW de eletricidade e 10 MW de calor. Estava prevista para entrar em operação no segundo trimestre de 1993, quando um programa intensivo de testes procurando estabelecer a viabi1idade técnica e econômica, além de prover dados de engenharia para o desenho de unidades comerciais similares.

O uso de biomassa com finalidade industrial e combustível domestico tem aumentado sensivelmente o desmatamento de matas do planeta, seu efeito também tem causado o incremento do CO₂ atmosférico e por conseqüência o efeito estufa. A queima da biomassa (principalmente cana de açúcar no Brasil) tem fortes efeitos ambientais.(veja tabela abaixo)

As caldeiras de Biomassa (bagaço de cana, lenha e casca de arroz) tem como poluente principal as cinzas voláteis e partículas de combustível não queimadas completamente. A emissão de Nox é pequena devido as temperaturas relativamente baixas da caldeira, e a de óxidos de enxofre é pequena devido ao baixo teor de enxofre nessas biomassas, e será ainda menor no combustíveis fósseis.

Assim no uso da biomassa o controle mais importante deve ser feito sobre a emissão de particulados. Para que isso seja possível utiliza-se os seguintes equipamentos:

1. Separadores ciclônicos,
1. Lavadores de gás
1. Separadores eletrostáticos, e
1. Filtros de manga.

Veremos os separadores ciclônicos, que são os mais utilizados.

Os separadores podem ser classificados em 3 tipos: entrada tangencial e fluxo de retorno; fluxo axial; fluxo axial e fluxo em retorno.

A eficiência do ciclone de tipo tangencial é maior que do tipo axial devido a força centrifuga, causando a separação dos particulados mais eficientes devido sua rotação ser no mesmo sentido do gás de entrada.

O ciclone tangencial adequado à uma caldeira deve ser escolhido baseado em apenas 8 dimensões. As outras dimensões podem ser obtidas com coeficientes de segurança adequados e a partir do parametro a, em função do fluxo de gás e de sua velocidade de entrada no ciclone.