Modelagem e simulação de sistemas de gaseificação

1. Modelagem e simulação de sistemas de gaseificação e pirólise de carvão mineral e estudo da associação de biomassa ao processo,Engenharia Química Marina Borgert1, Marcos Marcelino Mazzucco2 – PUIC Universidade do Sul de Santa Catarina - UNISUL Unidade Acadêmica de Ciências Tecnológicas - UNITEC Grupo de Engenharia de Processos - ENGEPRO Curso de Engenharia Química – Campus Tubarão 1 – Iniciação Científica 2 – Professor Orientador 1 – marinaborgert@msn.com 2 – marcos.mazzucco@unisul.br http://www.eqm.unisul.br/prof/marcos http://www.eqm.unisul.br/prof/dile http://www.unisul.br http://www.eqm.unisul.br Introdução Gaseificação É um processo que converte matéria orgânica em CO e H2 por reações à altas temperaturas com quantidades controladas de oxigênio, resultando em uma mistura gasosa combustível: gás de síntese ou syngas. Sua composição varia de acordo com o sólido utilizado e sua combustão é mais eficiente que aquela do combustível original. Pode ser queimado diretamente em motores de combustão interna, para produzir metanol e hidrogênio ou convertido em combustível sintético pelo processo Fischer-Tropsch. Pode-se utilizar como matéria prima biomassa ou resíduos orgânicos dentre outros materiais. Para o carvão mineral, a gaseificação ocorre em dois estágios: volatilização e gaseificação. No primeiro, há vaporização dos voláteis e pirólise, e o carvão sofre suas maiores alterações físico-químicas, que são altamente influenciadas pelas condições de operação e pelo tipo de carvão. No segundo estágio ocorrem diversas reações, das quais se destaca a oxidação do carbono por sua alta entalpia (sendo exotérmica) e irreversibilidade às temperaturas normais de gaseificação (750 a 1000°C), que compõe a principal fonte de energia para que ocorram as reações endotérmicas de formação de CO e H2. O tipo de reator utilizado e fatores como temperatura, pressão e umidade do combustível e grau de oxigênio influenciam o processo. Pirólise Na gaseificação, a pirólise é a etapa em que ocorrem as maiores mudanças no carvão. É a decomposição térmica da matéria orgânica sólida na ausência de oxigênio, convertendo-a em redução Na abordagem dinâmica, duas propostas foram avaliadas: o equacionamento individual das reações envolvidas na gaseificação (JOHNSON, J. L., 1979) e o equacionamento global da transformação de carvão ou biomassa em gás e resíduos. Ao longo da pesquisa, encontrou-se dificuldade na obtenção de dados cinéticos do carvão para a elaboração do modelo matemático. Observou-se porém que no processo de gaseificação as reações do carvão acontecem rapidamente, de forma que quando associado à biomassa pode ser negligenciado pois esta atua como fator limitante. Na elaboração do modelo matemático da fase de pirólise da biomassa tomou-se como base o artigo intitulado Modelling of The Pyrolysis of Biomass Particles cujas equações compunham um problema de condições de contorno, e desenvolveu-se algoritmos de solução baseados no método de diferenças finitas simples e no método de Crank-Nicholson, sendo que o último apresentou melhor desempenho em relação à convergência. Na fase de implementação, faltaram dados físico-químicos provenientes de resultados experimentais do modelo do artigo, levando a uma simplificação que despreza o tamanho da partícula. A solução é aplicável a partículas pulverizadas, cujas dimensões são desprezíveis para a variação de temperatura ao longo da própria partícula. A solução do modelo simplificado foi realizada pela integração de um sistema de equações diferenciais ordinárias através do método de Runge-Kutta, que é um método iterativo proveniente também das diferenças finitas: Reação 1 Biomassa → (Voláteis + Gases)1 + (Carvão)1 Reação 2 Biomassa + (Carvão)1 → (Voláteis + Gases)2 + (Carvão)2 gases, bio-óleo e carvão. A pirólise da madeira já foi muito utilizada para a produção de carvão vegetal e posteriormente foi usada em grande escala para a transformação de carvão em coque metalúrgico, aplicado principalmente na fabricação de aço. Na pirólise de biomassa, inicialmente ocorre a secagem do material até temperaturas de cerca de 200°C; é favorável o uso de materiais com menor teor de umidade. Há a vaporização de voláteis e conversão em carvão vegetal (até aproximadamente 300°C). Na faixa de 300 a 500°C acontece a degradação térmica da celulose produzindo quantidades elevadas de CO, H2 e CH4. Acima de 500°C ocorrem reações entre os produtos gasosos já formados Figura 1 – Bio-óleo. formados com o resíduo sólido, gerando produtos altamente combustíveis. Água e CO2 podem ainda reagir com o carvão residual produzindo CO e H2. Modelo matemático Para a otimização da pirólise elabora-se um modelo matemático que equacione o processo e seus fatores de influência: conversão de matéria prima em produtos, variações de temperatura e taxas de aquecimento, adição de vapor e outros. Com a programação, aplica-se um algoritmo capaz de solucionar o sistema de equações diferenciais e permitir o estudo do processo sob diferentes condições, empregando-se métodos de diferenças finitas. O método Runge-Kutta de quarta ordem é o mais usado. Embora mais lento em tempo de execução se comparado aos métodos de Euler e Heun, obtém-se um resultado muito mais próximo da solução analítica. Figura 3 – Algoritmo de solução do sistema EDO para a pirólise de biomassa. Figura 2 – Soluções numéricas para uma equação diferencial de primeira ordem. Justificativa Na década de 1970, o governo federal promoveu pesquisas para valorizar e estimular aplicações do carvão mineral, motivado pela crise do petróleo. Recebeu destaque a gaseificação. Com a ascensão do petróleo as pesquisas nesta área foram reduzidas, assim como os investimentos. Os processos de gaseificação foram então sendo abandonados por métodos mais econômicos e mais eficientes ou ainda com menor impacto ambiental. Em Santa Catarina, o ápice do uso do carvão deu-se na década de 1980, declinando no início da década de 1990 com a extinção da ICC (Indústria Carboquímica Catarinense) e das unidades de gaseificação das indústrias cerâmicas. Enquanto que no Brasil esta tecnologia praticamente extinguiu-se, em outros países seu desenvolvimento perpetuou-se, devido à necessidade de fontes de energia para abastecer seu escasso suprimento. Sendo Santa Catarina o estado com a segunda maior reserva de carvão mineral do país, esta pesquisa visa estimular seu uso e agregar-lhe valor através da obtenção de produtos químicos e combustíveis, além de estudar a possibilidade da associação de biomassa para a produção de gás utilizando as propriedades catalíticas do carvão. Objetivos Objetivo Geral Modelar matematicamente o processo de gaseificação de carvão mineral. Estudar a possibilidade de associar a biomassa ao processo de gaseificação. Objetivos Específicos Pesquisar os modelos cinéticos descritos para as reações envolvidas na gaseificação. Adotar um processo típico e elaborar o modelo matemático correspondente. Analisar o processo sob diferentes condições de operação (alimentação de carvão e água, temperatura, pressão). Pesquisar entre as descrições disponíveis na literatura a existência de dados cinéticos de gaseificação de biomassa. Aplicar métodos numéricos para solução dos modelos obtidos. Metodologia Aplicação de balanços de massa e energia para obtenção de modelos. Levantamento bibliográfico para obtenção das equações cinéticas. Solução dos modelos através dos métodos numéricos; d) levantamento bibliográfico de gaseificação de biomassa. Incorporar as equações cinéticas de gaseificação de biomassa com as de carvão. Resultados Ao modelar a gaseificação do carvão, pode-se seguir duas abordagens. Na abordagem estática considera-se apenas a composição do carvão, conversões para as reações envolvidas e as quantidades de energia consumidas ou formadas em cada uma delas. Assim obtém-se a composição final do gás e do resíduo sólido. Figura 4 – Gráficos gerados pelo algoritmo de solução. Uma vez representada a reação de pirólise da biomassa, simulou-se várias condições de temperatura para a observação do comportamento da reação e da proporção de produtos formados. O modelo adotado mede o consumo de biomassa e a quantidade de gás gerado, visto que para determinar a composição do gás é preciso estudar cada matéria prima empregada. Abaixo seguem os gráficos para um aquecimento de 500 a 1000K ao longo de 10 minutos com diferentes perfis de aquecimento, onde B representa a fração mássica de biomassa não consumida, C1 é a fração mássica de carvão resultante da decomposição da biomassa, C2 é a fração mássica de carvão originado das reações entre os gases e voláteis da biomassa e o carvão em C1; W é a fração de massa residual do processo. Conclusões A modelagem matemática de sistemas de gaseificação e pirólise pode promover a otimização destes processos. Algoritmos que desempenham tal função compõem uma ferramenta vantajosa por permitir a realização de inúmeros ensaios obtendo resultados sem a necessidade de um procedimento experimental. O modelo matemático apresentado pode ser utilizado como base para o desenvolvimento de simulações de sistemas de pirólise e gaseificação, visto que é necessário criar um modelo particular a cada caso, onde avalia-se desde a composição da matéria prima empregada até às condições de operação do reator. O Estado de Santa Catarina, com sua grande disponibilidade de carvão mineral, pode destacar-se no âmbito energético com o uso destas tecnologias, enriquecendo uma matéria prima de baixo valor em favor de um processo com rendimento superior. Referências KLOSE, Erhard et. al. Mathematical model for the gasification of coal under pressure. Industrial and Engineering Chemistry Process Design and Development, Freiberg, v. 17, n. 1, 1978. KOUFOPANOS, C. A. et. al. Modelling of the pyrolysis of biomass particles. TheCanadian Journal of Chemical Engineering, [S.l.], v. 69, ago. 1991. PELLEGRINO, Roberto. Gaseificação de carvão mineral com adição de vapor e remoção de H2S, em leito fluidizado. 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